Misura della cinematica dei movimenti di vita quotidiana con sistemi di Motion Capture in realtà virtuale
Summary
Abbiamo progettato un test di realtà virtuale per valutare le attività strumentali della vita quotidiana (IADL) con un sistema di motion capture. Vi proponiamo una dettagliata analisi cinematica per interpretare il partecipante vari movimenti, tra cui traiettoria, distanza commovente e il tempo di completamento per valutare le capacità IADL.
Abstract
L’impossibilità di completare le attività strumentali della vita quotidiana (IADL) è un precursore di varie malattie neuropsicologiche. Valutazioni basate su questionario di IADL sono inclini a pregiudizi soggettivi ma facile da usare. Qui, descriviamo un test romanzo realtà virtuale (VR) per valutare due compiti complessi di IADL: gestione delle transazioni finanziarie e con i mezzi pubblici. Mentre un partecipante esegue le attività in un ambiente di VR, un movimento di acquisire tracce di sistema la posizione e l’orientamento della mano dominante e la testa in un sistema di coordinate cartesiano tridimensionale. Cinematica dei dati grezzi vengono raccolti e convertito in ‘performance cinematica misure,’ cioè, movimento traiettoria, distanza commovente, tempo di completamento. Traiettoria di movimento è il percorso di una determinata parte del corpo (ad esempio, la mano dominante o testa) nello spazio. Distanza commovente si riferisce alla distanza totale della traiettoria, e tempo di completamento è quanto ci è voluto per completare un compito IADL. Queste misure cinematiche potrebbero discriminare i pazienti con danno conoscitivo da controlli sani. Lo sviluppo di questo protocollo di misurazione cinematico permette la rilevazione dei primi danni conoscitivi relativi IADL.
Introduction
Attività strumentali della vita (IADL), come gestire le transazioni finanziarie, con i mezzi pubblici e cucina, sono marcatori medicali poiché richiedono più funzioni neuropsicologiche1quotidiana. Alterata funzionalità IADL sono quindi considerate precursori di malattie neurologiche, quali danno conoscitivo delicato (MCI) e demenza2. Rassegna completa di oro di IADL attività3 indicato che attività cognitivamente più impegnative, come la gestione delle finanze e con i mezzi pubblici, il preannunciatore più in anticipo di MCI e demenza.
Ad oggi, le valutazioni più comunemente usate di IADL sono questionari auto-riferiti, questionari basati su informatore e valutazioni basate su prestazioni4. Valutazioni basate su questionario di IADL sono conveniente e facile da usare, ma sono inclini a pregiudizi soggettivi. Per esempio, quando auto-segnalazione, i pazienti tendono a over o under estimate loro IADL capacità5. Allo stesso modo, informatori giudicar malee funzionalità IADL a causa dell’osservatore percezioni erronee o lacune di conoscenza4. Così, le valutazioni basate sulle prestazioni che chiedere ai pazienti di svolgere compiti specifici IADL sono state preferite, anche se molte delle attività sono inadeguate per una regolazione clinica generale6.
Recentemente, la realtà virtuale (VR) studi hanno dimostrato che questa tecnologia potrebbe avere significative applicazioni in medicina e sanità, che comprende tutto, dalla formazione alla riabilitazione a valutazione medica7. Tutti i partecipanti possono essere testati alle stesse condizioni VR, che imitano il mondo reale. Per esempio, Allain et al. 8 ha sviluppato un’attività virtuale di caffè e ha mostrato che i pazienti con danno conoscitivo eseguito l’attività male. Klinger et al. 9 ha sviluppato un altro ambiente di VR per mailing e attività di shopping e trovato una relazione significativa tra il tempo di completamento di attività in VR e risultati dei test neuropsicologici. Gli studi di valutazione IADL precedenti-VR sono principalmente concentrati sugli indicatori di performance semplice come tempo di reazione o precisione quando si utilizzano dispositivi di input tradizionali come ad esempio un mouse e tastiera8,9. Ulteriori dati di prestazioni relativi IADL occorre pertanto allo schermo in modo efficiente per i pazienti con MCI4.
Analisi cinematica di dati di cattura del movimento in tempo reale è un approccio potente per documentare quantitativamente dati di prestazioni associati alle attività IADL. Ad esempio, bianco et al. 10 ha sviluppato una cucina virtuale che acquisisce dati angolo articolare del partecipante durante le attività quotidiane di vita e utilizzato i dati acquisiti per valutare quantitativamente l’efficacia della terapia fisica. Dimbwadyo-Terrer et al. 11 ha sviluppato un ambiente immersivo di VR per valutare le prestazioni degli arti superiori, lo svolgimento di attività di vita quotidiane di base e ha mostrato che i dati cinematici registrati in un ambiente di VR altamente correlato con scale funzionali dell’arto superiore. Queste analisi cinematiche con sistemi di motion capture potrebbero fornire ulteriori opportunità per valutare rapidamente danno conoscitivo12 di un paziente. L’inclusione dei dati cinematici dettagliati nello screening per i pazienti con MCI ha migliorato significativamente la classificazione dei pazienti rispetto ai controlli sani13.
Qui, descriviamo un protocollo per valutare la cinematica dei movimenti di vita quotidiana con sistemi di motion capture in un ambiente immersivo di VR. Il protocollo comprende due compiti complessi di IADL: “attività 1: prelevare denaro” (gestione delle transazioni finanziarie) e “attività 2: prendere l’autobus” (mezzi pubblici). Mentre le attività sono state eseguite, un sistema di motion capture tracciate la posizione e l’orientamento della mano dominante e la testa. Dopo aver completato le attività 1, traiettoria mano dominante, distanza commovente e tempo di completamento sono stati raccolti. Nel passaggio 2, testa traiettoria, distanza commovente e tempo di completamento sono stati raccolti. La sezione di rappresentante risultati in questo articolo i dettagli la prova preliminare dei pazienti con MCI (cioè, le funzionalità IADL sono alterate) rispetto ai controlli sani (cioè, le funzionalità IADL sono intatte).
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo dettagliate di un protocollo di misurazione cinematico dei movimenti di vita quotidiana con sistemi di motion capture in un ambiente immersivo di VR. In primo luogo, l’impostazione sperimentale guidato come impostare, preparare e familiarizzare i partecipanti con l’ambiente di VR immersiva. In secondo luogo, abbiamo sviluppato due attività IADL standardizzata in VR. In terzo luogo, passaggio 3 e passaggio 5 nella sezione protocollo sono le fasi più critiche per minimizzare la malattia VR. Quando si impostano i …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
K.S. e A.L. contribuiscono ugualmente. Questa ricerca è stata sostenuta dal programma di ricerca di scienza base attraverso la nazionale Ricerca Fondazione della Corea (NRF) finanziato dal Ministero della scienza, ICT & futuro pianificazione (NRF-2016R1D1A1B03931389).
Materials
| Computer | N/A | N/A | Computer requirements: – Single socket H3 (LGA 1150) supports – Intel® Xeon® E3-1200 v3, 4th gen. Core i7/i5/i3 processors – Intel® C226 Express PCH – Up to 32GB DDR3 ECC/non-ECC 1600MHz UDIMM in 4 sockets – Dual Gigabit Ethernet LAN ports – 8x SATA3 (6Gbps) – 2x PCI-E 3.0 x16, 3x PCI-E 2.0 x1, and 2x PCI 5V 32-bit slots – 6x USB 3.0 (2 rear + 4 via headers) – 10x USB 2.0 (4 rear + 6 via headers) – HD Audio 7.1 channel connector by Realtek ALC1150 – 1x DOM power connector and 1x SPDIF Out Header – 800W High Efficiency Power Supply – Intel Xeon E3-1230v3 – DDR3 PC12800 8GB ECC – WD 1TB BLUE WD 10EZEX 3.5" – NVIDIA QUADRO K5000 & SYNC |
| Stereoscopic 3D Projector | Barco | F35 AS3D WUXGA | Resolution: – WQXGA (2,560 x 1,600) – Panorama (2,560 x 1,080) – WUXGA (1,920 x 1,200), 1080p (1,920 x 1,080) |
| Stereoscopic Glasses | Volfoni | Edge 1.2 | For further information, visit http://volfoni.com/en/edge-1-2/ |
| Motion Capture Systems | NaturalPoint OptiTrack | 17W | For further information, visit http://optitrack.com/products/prime-17w/ |
| OptiTrack (Motion capture software) | NaturalPoint OptiTrack | Motive 2.0 | For further information, visit https://optitrack.com/downloads/motive.html |
| MiddleVR (Middleware software) | MiddleVR | MiddleVR For Unity | For further information, visit http://www.middlevr.com/middlevr-for-unity/ |
| VRDaemon (Middleware software) | MiddleVR | MiddleVR For Unity | For further information, visit http://www.middlevr.com/middlevr-for-unity/ |
| Unity3D (Game engine) | Unity Technologies | Personal | For further information, visit https://unity3d.com/unity |
References
- Reppermund, S., et al. Impairment in instrumental activities of daily living with high cognitive demand is an early marker of mild cognitive impairment: the Sydney Memory and Ageing Study. Psychol. Med. 43 (11), 2437-2445 (2013).
- Graf, C. The Lawton instrumental activities of daily living scale. Am. J. Nurs. 108 (4), 52-62 (2008).
- Gold, D. A. An examination of instrumental activities of daily living assessment in older adults and mild cognitive impairment. J. Clin. Exp. Neuropsychol. 34 (1), 11-34 (2012).
- Jekel, K., et al. Mild cognitive impairment and deficits in instrumental activities of daily living: a systematic review. Alzheimers. Res. Ther. 7 (1), 17 (2015).
- Suchy, Y., Kraybill, M. L., Franchow, E. Instrumental activities of daily living among community-dwelling older adults: discrepancies between self-report and performance are mediated by cognitive reserve. J. Clin. Exp. Neuropsychol. 33 (1), 92-100 (2011).
- Desai, A. K., Grossberg, G. T., Sheth, D. N. Activities of Daily Living in patients with Dementia. CNS drugs. 18 (13), 853-875 (2004).
- Ma, M., Jain, L. C., Anderson, P. . Virtual, augmented reality and serious games for healthcare 1. 68, (2014).
- Allain, P., et al. Detecting everyday action deficits in Alzheimer’s disease using a nonimmersive virtual reality kitchen. J. Int. Neuropsychol. Soc. 20 (5), 468-477 (2014).
- Klinger, E., et al. AGATHE: A tool for personalized rehabilitation of cognitive functions based on simulated activities of daily living. IRBM. 34 (2), 113-118 (2013).
- White, D., Burdick, K., Fulk, G., Searleman, J., Carroll, J. A virtual reality application for stroke patient rehabilitation. ICMA. 2, 1081-1086 (2005).
- Dimbwadyo-Terrer, I., et al. Activities of daily living assessment in spinal cord injury using the virtual reality system Toyra: functional and kinematic correlations. Virtual Real. 20 (1), 17-26 (2016).
- Preische, O., Heymann, P., Elbing, U., Laske, C. Diagnostic value of a tablet-based drawing task for discrimination of patients in the early course of Alzheimer’s disease from healthy individuals. J. Alzheimers. Dis. 55 (4), 1463-1469 (2017).
- Seo, K., Kim, J. K., Oh, D. H., Ryu, H., Choi, H. Virtual daily living test to screen for mild cognitive impairment using kinematic movement analysis. PLOS ONE. 12 (7), e0181883 (2017).
- Albert, M. S., et al. The diagnosis of mild cognitive impairment due to Alzheimer’s disease: Recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer’s Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer’s disease. Alzheimers. Dement. 7 (3), 270-279 (2011).
- . Motive Quick Start Guide Available from: https://optitrack.com/public/documents/motive-quick-start-guide-v1.10.0.pdf (2017)
- Kennedy, R. S., Lane, N. E., Berbaum, K. S., Lilienthal, M. G. Simulator sickness questionnaire: An enhanced method for quantifying simulator sickness. Int. J. Aviat. Psychol. 3 (3), 203-220 (1993).
- Singh, N. B., Baumann, C. R., Taylor, W. R. Can Gait Signatures Provide Quantitative Measures for Aiding Clinical Decision-Making? A Systematic Meta-Analysis of Gait Variability Behavior in Patients with Parkinson’s Disease. Front. Hum. Neurosci. 10, 319 (2016).
- Hernandez, F., et al. Six degree-of-freedom measurements of human mild traumatic brain injury. Ann. Biomed. Eng. 43 (8), 1918-1934 (2015).
- Gamito, P., et al. Cognitive training on stroke patients via virtual reality-based serious games. Disabil. Rehabil. 39 (4), 385-388 (2017).
