מדידה קינמטיקה של תנועות החיים יומי עם מערכות לכידת תנועה במציאות וירטואלית

Summary

תיכננו בדיקת מציאות מדומה כדי להעריך פלייבק פעולות יומיומיות (IADL) עם מערכת לכידת תנועה. אנו מציעים ניתוח מפורט קנטית לפרש של המשתתף תנועות שונות, כולל מסלול, נע מרחק וזמן סיום כדי להעריך את היכולות IADL.

Abstract

חוסר היכולת להשלים פלייבק פעולות יומיומיות (IADL) הוא הקדמה שתלמידים מחלות שונות. מבוסס על שאלון הערכות של IADL הם קל לשימוש אך נוטה הטיה סובייקטיבית. כאן נתאר מבחן הרומן מציאות וירטואלית (VR) כדי להעריך את שתי משימות מורכבות IADL: טיפול עסקאות פיננסיות ושימוש בתחבורה ציבורית. בעוד משתתף מבצע את הפעילויות בסביבה VR, תנועה ללכוד עקבות מערכת המיקום והכיוון של תנועת היד הדומיננטית. הראש מערכת צירים קרטזית תלת מימדי. הנתונים הגולמיים קנטית נאספים ותנועה שהוסב 'קנטית מדדי הביצוע,' דהיינו, מסלול, נע, הזמן והמרחק עד לסיומו. מסלול תנועה הוא הנתיב של חלק גוף מסוים (למשל, יד דומיננטית או הראש) בחלל. עובר מרחק מתייחס המרחק הכולל של המסלול, ויש זמן לסיום הזמן שנדרש כדי להשלים משימה IADL. אמצעים אלה קנטית יכול להפלות חולים עם פגיעה קוגניטיבית מפני פקדי בריא. הפיתוח של פרוטוקול זה מדידה קנטית מאפשרת זיהוי ליקויים קוגניטיביים הקשורים IADL מוקדם.

Introduction

פעילות אינסטרומנטלית יומיומי חי (IADL), כגון טיפול עסקאות פיננסיות באמצעות תחבורה ציבורית, בישול, הם סימנים רפואיים מאז שהם דורשים פונקציות שתלמידים מספר¹. יכולות IADL לקוי ולכן נחשבים המבשרות על מחלות נוירולוגיות, כגון ליקוי קוגנטיבי מתון (MCI) ודמנציה². סקירה מקיפה של זהב של IADL משימות³ ציינו כי משימות תובעניות יותר קוגניטיבית, כגון לניהול כספים, באמצעות תחבורה ציבורית, היו כמנבא המוקדם של MCI, דמנציה.

עד כה, הערכותיו הנפוצות ביותר של IADL הם שאלוני דיווח עצמי, שאלונים מבוססי המודיע, המבוססת על ביצוע הערכות⁴. מבוסס על שאלון הערכות של IADL חסכונית, קל לשימוש, אך הם נוטים הטיה סובייקטיבית. למשל, כאשר דיווח עצמי, חולים נוטים ל over - או תחת - estimate שלהם יכולות IADL⁵. באופן דומה, מודיעים שהערכתי IADL יכולות של הצופה הסברות או פערי הידע⁴. לפיכך, הערכות מבוסס ביצועים לשאול חולים כדי לבצע משימות ספציפיות IADL כבר מועדף, למרות רבות מהמשימות אינם הולמים עבור בקביעת קליני כללי⁶.

לאחרונה, מציאות וירטואלית (VR) מחקרים הראו כי טכנולוגיה זו יכולה יש שימושים משמעותיים רפואה, בריאות, כולל הכל, החל להתאמן שיקום ההערכה הרפואית⁷. כל המשתתפים יכולים להיבדק בתנאים VR אותו, המחקות את העולם האמיתי. למשל, אלאין. et al. ⁸ פיתח פעילות קפה וירטואלי, הראה כי חולים עם פגיעה קוגניטיבית לבצע את המשימה בצורה גרועה. קלינגר. et al. ⁹ שפותחו בסביבת VR אחרת עבור דיוור וקניות משימות ומצא יחסים משמעותיים בין זמן השלמת פעילות ב- VR תוצאות הבדיקה שתלמידים. מחקרים קודמים VR של IADL ההערכה התמקדו בעיקר מדדי הביצוע פשוטים כגון זמן תגובה או הדיוק בעת שימוש בהתקני קלט קונבנציונליים, כגון בעכבר ובלוח המקשים^8,9. נתוני ביצועים מפורט יותר אודות IADL ובכך צורך למסך בצורה יעילה עבור חולים עם MCI⁴.

קנטית ניתוח של נתוני לכידת תנועה בזמן אמת היא גישה רב-עוצמה לתעד באופן כמותי של נתוני ביצועים מפורט המשויכים לפעילויות IADL. לדוגמה, לבן ואח ¹⁰ פיתח מטבח הווירטואלי לוכד נתונים זווית משותפת של המשתתף במהלך משימות היומיום, ומשמש נתונים שנלכדו להעריך באופן כמותי את מידת היעילות של טיפול פיזיותרפי. . Dimbwadyo-Terrer et al. ¹¹ פיתח סביבה VR מקיפה כדי להעריך את ביצועי הגפיים העליונות בעת ביצוע משימות היומיום הבסיסיים, הראה כי לצרוב נתונים קנטית בסביבת VR מאוד בקורלציה עם סולמות פונקציונלי של הגפיים העליונות. אלה ניתוחים קנטית במערכות לכידת תנועה יכול לספק עוד הזדמנות להעריך במהירות פגיעה קוגניטיבית של החולה¹². הכללה של הנתונים קנטית מפורט סינון עבור חולים עם MCI לשפר באופן משמעותי את הסיווג של המטופלים לעומת פקדים בריא¹³.

כאן, אנו מתארים את פרוטוקול כדי להעריך את קינמטיקה של תנועות החיים יומי עם מערכות לכידת תנועה בסביבת VR מקיפה. הפרוטוקול כללה שתי משימות מורכבות IADL: "פעילות 1: למשוך כספים" (טיפול עסקאות פיננסיות) ו "משימה 2: סעו באוטובוס" (באמצעות תחבורה ציבורית). בזמן הפעילויות בוצעו, מערכת לכידת תנועה לאתר את המיקום והכיוון של היד הדומיננטית של הראש. לאחר השלמת משימה 1, שנאספו מסלול יד דומיננטית, נע, הזמן והמרחק עד לסיומו. פעילות 2, ראש המסלול, נע, הזמן והמרחק לסיום נאספו. המקטע נציג תוצאות במאמר זה מפרט את המבחן הראשוני של חולים עם MCI (קרי, יכולות IADL הם לקוי) לעומת שולט בריא (קרי, יכולות IADL שלמים).

Protocol

כל ההליכים ניסיוני המתוארים כאן אושרו על-ידי מוסדיים סקירה הלוח של הן-ינג האוניברסיטה, על פי הצהרת הלסינקי (HYI-15-029-2). 6 פקדי בריא (4 זכרים ו 2 נקבות) ו- 6 חולים MCI (3 זכרים, 3 נקבות) גויסו ממרכז רפואי שלישוני, בית החולים האוניברסיטאי הן-ינג.

1. גייס משתתפים

1. לגייס MCI החולים (כלומר, יכולות IADL לקוי) בקרות בריא (קרי, נורמלי יכולות IADL) בגילאי 70-80 שנים.
2. עם העזרה של נוירולוג עם יותר מ- 10 שנות ניסיון קליני, סקירת היסטוריה רפואית המטופלים, לא לכלול חולים עם היסטוריה של מחלות נוירולוגיות/פסיכיאטרית או ניתוח מוח.
   הערה: השתמש בבדיקות שתלמידים הבאות: מיני מצב נפשי בדיקה-דמנציה ההקרנה, קוריאנית פלייבק פעילויות של יומי, חופשי ומגורים סלקטיבית Cued מזכיר את מבחן, ספרות משך הבדיקה-קדימה/אחורה, שביל ביצוע הבדיקה-A/B¹³ , והקריטריונים של אלברט. et al. ¹⁴ לאבחן MCI.

2. להתקין תוכנה VR ולהתחבר למחשבים

1. הגדרת החומרה בחדר ייעודי הדומה איור 1. לבצע פרוטוקול זה בגודל חדר מקיפה סביבה וירטואלית (4 x 2.5 x 2.5 מ'³) המכיל 4 מחשבים 4 מקרנים סטריאוסקופי תלת מימדי (3D), 8 מצלמות מעקב תנועה לאתר את המיקום והכיוון של היד הדומיננטית, . הראש במהלך שתי הפעילויות IADL
   הערה: הטכנולוגיות VR להשתמש במאמר זה הן החומרה והתוכנה במחשב המציעים חוויות תלת-ממדית מקיפה ואינטראקטיבית, שלפיו מציאותי אובייקטים ואירועים ניתן להציג בסביבה וירטואלית. הפרטים של החומרה והתוכנה שבהם מתוארים חומרים טבלה.
2. ודא שכל המחשבים מצוידים את התוכנות הדרושות (חבילת הניתן להפצה חוזרת של Visual Studio 2012 (x86), DirectX, ו MiddleVR או שווה ערך). MiddleVR, כלומר, תוכנת תווכה, בדוק את האתר¹⁵ כדי להשיג את הגרסאות העדכניות של הספריות עבור התקני קלט, סטריאוסקופיה, קיבוץ באשכולות, אינטראקציות.
3. לחבר מחשבים למקרנים 3D (סטריאוסקופיות). הגדרות גרפי הן 1920 x 1080 פיקסל ברזולוציה.
4. ליצור קבוצה ביתית 10 של Windows כדי להתחבר למחשבים 4 לרשת ביתית. במחשב הראשי, צור תיקייה ולשתף אותו במחשבים אחרים בקבוצה הביתית.
5. במחשב הראשי, הפעל את תוכנת תווכה. לחץ על לחצן "אשכול". הגדר את המחשב הראשי של שרת ומחשבים אחרים כלקוחות. זה יסנכרן את המצב של כל המכשירים. לחץ על לחצן "צמתים 3D". ציין את המיקום, התמצאות, גודל המסך סביבה וירטואלית.
6. להשלים את ההגדרות מבוסס על אתר האינטרנט של ה-¹⁵ ולשמור את קובץ התצורה.

3. להגדיר מערכות לכידת תנועה בסביבה וירטואלית

1. הר 8 מצלמות מעקב תנועה בסביבה וירטואלית כדי כיסוי מלא האחסון הלכידה. תיקון מצלמות בצורה מאובטחת כך שיישארו נייח במהלך הלכידה. ודא אובייקטים בסביבה וירטואלית יהיה גלוי על ידי לפחות 2 מצלמות בכל עת.
2. להתקין תוכנה OptiTrack מניע, קרי, תוכנה ללכידת תנועה, במחשב הראשי באמצעות ה-התקנה ידנית¹⁶. חבר את המחשב הראשי עם מערכות לכידת תנועה עם כבלי Ethernet 6 קטגוריה.
3. כיילו את המערכות לכידת תנועה עם השלבים הבאים, כמפורט ידנית התוכנה¹⁶.
   1. הסר כל אורח/ים ילד/הרהורים חיצוניים או סמני מיותרים האחסון הלכידה.
   2. לחץ על הלחצן 'מסיכת גלויה' כדי להסוות בלתי רצוי או הפרעה אמביינט.
   3. לחץ על הלחצן התחל בבקשה". השתמש את השרביט כיול כדי לתמוך לכידתו של מסגרות לדוגמה כדי לחשב תפקידים המתאימים וכיוונים במרחב תלת-ממדי.
   4. לחץ על לחצן "חשב" כדי לכייל את המערכת באמצעות הדוגמאות שנאספו.
   5. בדקו את התוצאות כיול (לפי סדר מן הגרוע ביותר כמיטב יכולתי): עניים הוגן, טוב, נהדר, מעולה, יוצא מן הכלל. אם התוצאה היא יותר גדולה, לחץ על הלחצן 'החל'. אם לא, לחץ על כפתור "ביטול" וחזור על התהליך בבקשה.
   6. למקם את הכיכר כיול בתוך החלל 3D שבו אתה רוצה את המקור כדי להיות ממוקם. לחץ על לחצן 'להגדיר מישור קרקע' להקים על מקור מסומנים קואורדינטות תלת-ממד.
   7. בחר המשויך סמני רעיוני היד הדומיננטית ובראש. לחץ על לחצן "גוף קשיח" ולאחר מכן לחץ על הלחצן "צור מ נבחר סמני".
4. על ההצעה ללכוד התוכנה, פתח את תפריט "הזרמה". ודא מספר יציאה הרשום הוא 3883 ובחר בתיבת "שידור נתוני המסגרת" בקטגוריה "מנוע הזרמת VRPN". לחץ על "Ctrl" + "S" כדי לשמור את הקובץ כיול.
5. במחשב הראשי, הפעל את תוכנת תווכה. לחץ על לחצן 'מכשירים'. הוסף גשש VRPN להשיג מידע המעקב. של מערכת לכידת תנועה ולאחר מכן לשמור את קובץ התצורה.

4. להכין את סביבה וירטואלית לשימוש

1. להסיר את כל האובייקטים רעיוני (קרי, שעונים, טבעות, עגילים, מתכות, וכו ') מן הסביבה הוירטואלית.
2. להפעיל מחשבים, מקרנים 3D (סטריאוסקופיות) ומערכות לכידת תנועה (360 מסגרות לשנייה).
3. לאחר 4 מחשבים הפועלים, הפעל את התוכנה VRDaemon. לדוגמה, לחץ פעמיים על "VRDaemon.exe" אשר ממוקמת ב- "קבצים C:\Program (x86) \MiddleVR\bin."
4. במחשב הראשי, ליזום את התוכנה ללכידת תנועה. לחץ על הלחצן ליד התפריט העליון הנקרא "פרוייקט קיים פתוח". לטעון את הקובץ כיול מצלמה.
5. במחשב הראשי, הפעל את תוכנת תווכה. לחץ על לחצן "סימולציות". לטעון את הקבצים המתאימים סימולציה ותצורה מתיקיה משותפת.
6. על תוכנת תווכה, לחץ על לחצן "הפעל" ביצוע יישום וירטואלי מקיפה עם הקבצים שנבחרו סימולציה וקביעת תצורה.

5. להכיר את המשתתף עם הסביבה הוירטואלית

1. לספק את המשתתף עם משקפיים סטריאוסקופי ששוקל בסביבות 50 גרם. 192 הרץ. תדירות התצוגה המשקפיים סטריאוסקופית היא להבטיח כי המשקפיים סטריאוסקופי ממוקמים בנוחות מעל העיניים והאוזניים; ראה איור 2A.
2. צרף סמני רפלקטיביים במשקל של פחות מ 1 g כדי יד דומיננטית של המשתתף. יש להקפיד לצרף את סמני רעיוני הדוק; ראה איור 2B. ליידע את המשתתפים כי הם יכולים לנוע בחופשיות או סיבוב בתוך הסביבה הוירטואלית באמצעות תנועת הראש, ניתן ללחוץ על אובייקטים וירטואליים עם היד הדומיננטית. יד וירטואלית מופיעה בתוך הסביבה הוירטואלית כדי לחקות את המיקום של האצבע המורה של המשתתף; ראו איור 3.
3. שואל את המשתתף לנוע בחופשיות (כלומר, לעמוד לשבת, ללכת שמאלה, ימינה) בתוך הסביבה הוירטואלית במשך כשלוש דקות ובמשחק עם הסביבה VR. אז תשאלי את המשתתף ללחוץ על לחצנים וירטואלי עבור 5 דקות על מנת להכיר את אופן קיום האינטראקציה עם אובייקטים וירטואליים עם היד הדומיננטית. לספק עוד 10 דקות אימון אם המשתתף מבקש אחד.
4. בדוק אם המשתתף הוא חסין בפני מחלה VR עם סימולטור בחילות שאלון¹⁷.
   התראה: ההצעה מסונכרן מעקב על התצוגה סטריאוסקופי יכול לגרום בחילות VR, אשר עלולה לגרום אי נוחות, כאב ראש, בטן מודעות, בחילות והקאות, חיוורון, הזעה, עייפות, נמנום, חוסר התמצאות, אדישות. אם המשתתף מתלונן על עייפות או שהניקוד בחילות סימולטור הוא גבוה מדי, לעצור את הפרוטוקול.

6. ביצוע "משימה 1: למשוך כספים"

התראה: מאוזנים הרצפים של פעילות 1, פעילות 2 כדי להסיר את האפקט carry-over.

1. להסביר המשתתף את הפרטים של הפעילות ומספקים את שלבי פעולה 8 כדי להשלים את המשימה בתוך הסביבה הוירטואלית. השלבים (1) הוספה הכרטיס לתוך הכספומט, (2) בחר בתפריט 'למשוך', בחר (3) הסכום לסגת, (4) בחר את סוג החשבון, (5) הזן את ה-PIN (מספר זיהוי אישי), (6) בחר באפשרות קבלה, (7) להסיר את הכרטיס, הינם (8) לקחת ממנו כסף הכספומט (ראה איור 4).
2. במחשב הראשי, הפעל את תוכנת תווכה. בכרטיסיה "סימולציות", בחר קובץ הדמיה עבור פעילות 1 וקובץ תצורה. לחץ על לחצן "הפעל"; "משימה 1: למשוך כספים" יפעל בתוך הסביבה הוירטואלית.
   הערה: עבור קובץ משימה 1, ראה את הקובץ המצורף "משימה 1 לסגת Money.zip" 1 קובץ משלים. שימו לב כי הפעילות הווירטואלית פותחה עם מנוע תלת-ממד אחדות.
3. אם "משימה 1: למשוך כספים" פועל בתוך הסביבה הוירטואלית, להורות את המשתתף לבצע כדלקמן: "בבקשה למשוך 70,000 KRW (מקביל בערך 60 דולר ארה ב) הכספומט לקניות. בחר שני סוגים שונים של הערות, אחד הערה KRW 50,000 עבור 50,000 KRW ל- 10,000 שני KRW הערות על סך KRW 20,000. הסיסמה עבור העסקה שלך הוא התאריך של היום. למשל, אם הניסוי יבוצע ב- 11 בנובמבר, אז ה-PIN הוא 1111. נא שימרו את הספח לעיון נוסף."
4. לאחר שהמשימה תושלם, בדוק את הנתונים שנשמרו קנטית קבצי CSV (ערכים מופרדים באמצעות פסיק) ניתוח נוסף מתיקיה משותפת.
   הערה: שימוש במערכות לכידת תנועה, במהלך "פעילות 1: למשוך כספים" להקליט את המיקום והכיוון של היד הדומיננטית כאשר עורכים פעילות עם תדירות הקלטה 1 ms.
5. לתת 5 דקות הפסקה המשתתף לפני שמתחילים "משימה 2: סעו באוטובוס."

7. לבצע "משימה 2: סעו באוטובוס"

1. להסביר המשתתף את הפרטים של הפעילות ולתת הוראות כיצד להשלים "משימה 2: סעו באוטובוס" כדלקמן: "אנא המתן בתחנת האוטובוס, באוטובוס היעד. המידע אוטובוס היעד תינתן על המסך VR על-ידי קו מסוים, צבע, היעד. כאשר מגיע האוטובוס היעד, הקפד ללכת לתחנת האוטובוס, אל דלת הכניסה של האוטובוס היעד. 8 אוטובוסים היעד השונות להיות באופן אקראי שנוצר והציג." ראה איור 5.
2. במחשב הראשי, הפעל את תוכנת תווכה. בכרטיסיה "סימולציות", בחר קובץ סימולציה לפעילות 2, קובץ הגדרות תצורה. לחץ על לחצן "הפעל", ואז "משימה 2: סעו באוטובוס" יפעל בתוך הסביבה הוירטואלית.
   הערה: עבור קובץ משימה 2, ראה את הקובץ המצורף "פעילות 2 לקחת Bus.zip" 2 קובץ משלים. שימו לב כי הפעילות הווירטואלית פותחה עם מנוע תלת-ממד אחדות.
3. אם "משימה 2: סעו באוטובוס" פועל בתוך הסביבה הוירטואלית, להורות את המשתתף לחכות בתחנת האוטובוס. לחץ על "מקש" בלוח המקשים כדי להפוך אוטובוסים מגיעים בתחנת האוטובוס.
4. לאחר שהמשימה תושלם, בדוק את הנתונים שנשמרו קנטית קבצי CSV עבור ניתוח נוסף מתיקיה משותפת.
   הערה: שימוש במערכות לכידת תנועה, במהלך "פעילות 2: סעו באוטובוס" להקליט את המיקום והכיוון של הראש כאשר עורכים את הפעילות עם תדירות הקלטה 1 ms.
5. הפרוטוקול הושלמה. עזרה המשתתף להסיר את המשקפיים סטריאוסקופי ולנתק את סמני רעיוני בין היד הדומיננטית הראש.

תוצאות

CSV של קבצים "משימה 1: למשוך כספים" נותחו באמצעות תוכנה סטטיסטית R כדי לחשב את המסלול ביד הדומיננטית, נע, הזמן והמרחק עד לסיומו. הוא מדמיין את המסלול של תנועת היד הדומיננטית (איור 6). המרחק נע של היד הדומיננטית מחושב על ידי סיכום את סך המרחקים בין תנוחות הידיים ר...

Discussion

אנחנו מפורט קנטית פרוטוקול מדידת תנועות החיים יומי עם מערכות לכידת תנועה בסביבת VR מקיפה. ראשית, ההגדרה ניסיוני מדריכים אותם כיצד להגדיר, להכין, להכיר את המשתתפים עם הסביבה VR מקיפה. שנית, פיתחנו שתי פעילויות IADL מתוקננת VR. שלישית, שלב 3, שלב 5 בסעיף פרוטוקול הם הצעדים הקריטיים ביותר למזער VR בחי?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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