Video Analisi del Movimento Utilizzando Smartphone (VIMAS): uno studio pilota

Riepilogo

This manuscript describes the method to test the concurrent validity of kinematic measures recorded by the smartphone application in comparison to a 3D motion capture system in the sagittal plane. This protocol will enable clinicians to set up smartphones for video capture of human movement.

Abstract

L'uso di smartphone nella pratica clinica è in costante aumento con la disponibilità di basso costo / liberamente disponibili "apps" che potrebbero essere utilizzate per valutare l'andatura umana. Lo scopo primario di questo manoscritto è quello di verificare la validità concorrente delle misure cinematiche registrati da un'applicazione smartphone rispetto a un sistema di cattura movimento 3D nel piano sagittale. L'obiettivo secondario era quello di sviluppare un protocollo per i medici sul set up della macchina fotografica di smartphone per l'analisi del movimento video.

L'angolo del piano sagittale ginocchio è stata misurata durante lo sciopero tallone e punta al largo eventi utilizzando l'applicazione smart phone e di un sistema di motion-capture 3D in 32 soggetti sani. Tre studi sono stati eseguiti in prossimità (2 m) e lontano (4 m) distanza della fotocamera dello smartphone. L'ordine delle distanze è stato randomizzato. L'analisi di regressione è stata eseguita per stimare l'altezza della telecamera in base all'altezza o della gamba lunghezza sia del soggetto.

Absoluerrori di misura te erano almeno durante punta off (3,12 ± 5,44 gradi) rispetto al tallone (5,81 ± 5,26 gradi). Ci sono stati significativi (p <0.05), ma gli accordi moderate tra l'applicazione e 3D motion capture misure di angoli del ginocchio. Ci sono stati anche significative (p> 0.05) gli scostamenti tra gli errori di misura assolute tra le due posizioni della telecamera. Gli errori di misura in media tra i 3 - 5 gradi durante punta fuori e colpi di tacco eventi del ciclo del passo.

L'utilizzo di applicazioni per smartphone può essere uno strumento utile in clinica per l'esecuzione di deambulazione o l'analisi del movimento umano. Sono necessari ulteriori studi per stabilire la precisione nella misurazione dei movimenti degli arti superiori e tronco.

Introduzione

La valutazione della deambulazione umana è un componente chiave della valutazione terapia fisica e il processo decisionale clinico. ¹ valutazione andatura è uno strumento clinico frequentemente usato per valutare i deficit della deambulazione nei pazienti con deficit neurologici e muscolo-scheletriche. Rivalutazione dei andatura può quindi fornire al clinico informazioni circa l'efficacia di un intervento nel raggiungimento degli obiettivi che si erano prefissati alla loro valutazione iniziale. Vi è la necessità riconosciuto a livello nazionale negli Stati Uniti per fisioterapisti di utilizzare misure di outcome standardizzate al momento di valutare i pazienti. ² Questa esigenza nasce dal panorama in rapida evoluzione delle politiche di assicurazione di rimborso, così come uno spostamento sottolineato per fisioterapisti a fare affidamento più pesantemente sulle pratiche basate su prove. ³ Ci sono numerose misure di esito per valutare diversi aspetti della deambulazione, che possono essere osservati in un certo numero di modi, tra cui: visUAL osservazione da un medico, le valutazioni funzionali, il video registrato misure, passerelle elettroniche, tridimensionale software di analisi del movimento, ecc in ambito clinico, osservazionale (visivo) analisi del cammino viene comunemente eseguita, in quanto richiede attrezzature e tempo minimo.

Mentre l'analisi del cammino osservazionale è comunemente utilizzato all'interno della clinica, rimane ancora una valutazione soggettiva. ⁴ Pertanto, fattori quali l'esperienza terapeuta, acuità visiva, la distanza dal soggetto (distanza della telecamera), strumenti di misurazione, e tutti gli altri fattori in grado di introdurre la variabilità e l'errore nella valutazione. Il potenziale di tale variabilità presenta una necessità critica per un mezzo più affidabile di misura, che alla fine possono essere superati mediante l'utilizzo di strumentazione valida. ⁵

Fin dalla sua istituzione, videografia e della relativa tecnologia è stata utilizzata per esaminare varie limitazioni funzionali resulting dalla capacità di movimento ridotta così come una forma di feedback visivo. Questo è acutamente vero per quanto riguarda il Gait valutazione. Stuberg et al. ha rilevato che "attrezzature videografia è comunemente disponibile in clinica ... e fornisce al clinico informazioni ulteriore obiettivo sulla postura e la posizione comune durante il ciclo del passo." ⁴ Come la tecnologia ha continuato a migliorare, in modo da avere le funzionalità di analisi video. Queste funzionalità offrono il fisioterapista con una maggiore capacità di valutare clinicamente i vari parametri di andatura.

I due parametri chiave che fisioterapisti si concentrano su includono parametri cinematici e spazio-temporali. Come suggerisce il nome, le misure spazio-temporali comportare elementi di distanza e tempo. Specifico per un ciclo del passo, misure spazio-temporali dovrebbe includere, ma non limitarsi a, la lunghezza del passo, lunghezza del passo, la cadenza e velocità. ⁶ misure cinematiche sul ofuoco mano ther sul giunto movimenti / rotazioni degli arti inferiori osservati durante ogni ciclo del passo.

Un certo numero di articoli peer-reviewed state pubblicate che hanno citato l'uso dell'analisi video in movimento come misura di esito, sistemi di telecamere specificamente 2D, per valutare cinematica, spazio-temporale, o una combinazione di entrambi i tipi di parametri. Questi articoli hanno valutato diverse popolazioni cliniche comprese le persone con una storia di ictus (CVA), lesioni cerebrali traumatiche (TBI), lesioni del midollo spinale (SCI), il morbo di Parkinson (PD), paralisi cerebrale (CP), e individui sani. Lo schema presentato di seguito (Figura 1) fornisce il quadro che è stato adottato per identificare rilevanti letteratura peer-reviewed che è stato pubblicato su questo argomento.

Figura 1. Schema di criteri di selezione articolo. the schematico vengono descritte le procedure utilizzate nella scelta di articoli peer-reviewed per accertare il tipo di variabili che sono stati segnalati in analisi del passo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

La maggior parte degli studi di ricerca che hanno utilizzato l'analisi del movimento video per la registrazione dei parametri di andatura erano studi di convalida. Studi di validazione cinematici possono essere ulteriormente suddivise in una delle tre categorie: la valutazione del movimento anomalo derivante da una specifica diagnosi / patologia, ⁷ esaminando angoli articolari durante specifici movimenti funzionali, ^{8, 9} e valutare l'efficacia del trattamento tramite confronto del movimento pre-intervento e il movimento post-intervento. ^{10, 11} Allo stesso modo, gli studi di ricerca valutare para spazio-temporalemetri possono essere suddivisi in tre categorie: valutazione del movimento anomalo derivante da una specifica patologia, ^{12, 13, 14} l'esame di una piattaforma durante una determinata attività funzionale, ^{15, 16} e la determinazione degli effetti di un intervento specifico. ¹⁷ Gli studi di ricerca che hanno valutato sia i parametri cinematici e spazio-temporali sono soprattutto volte a determinare l'efficacia degli interventi di trattamento specifici come ortesi ¹⁷ o peso corporeo / parziale di peso corporeo di formazione tapis roulant supportato. ^{18, 19} una prima analisi descrittiva di questi articoli stabilito che il 52,1% degli studi (somma di quelli guardando esclusivamente a cinematica (30,4%) e quelli che ha esaminato una combinazione di parametri (21,7%)) rparametri cinematici esearched con un sistema di telecamere 2D. Questo è in confronto al 69,5% degli articoli (somma di articoli che ricercato parametri spazio-temporali (47,8%) e una combinazione di parametri (21,7%)) che ha esaminato parametri spazio-temporali.

Le differenze metodologiche nella registrazione e nella valutazione dei parametri dell'andatura cinematici e spazio-temporali sono anche visto nella pratica clinica in termini di tipo di analisi del cammino di osservazione in uso. parametri spazio-temporali sono valutati con maggiore frequenza come indicato dalla ricerca. Ci sono tre generalmente concordato ragioni di questa tendenza: a basso costo, la facilità d'uso, e l'esistenza di un protocollo standard per misurare tali parametri. misure cinematiche osservazionali hanno dimostrato di avere molto basso intra-rater (60%) e l'affidabilità inter-rater (40% - 94%) in ambito clinico. ⁴ Questa vasta gamma è intesa come dovuta alla variazione nel posizionamento dei marcatori sullapunti di riferimento ossei e gli strumenti specifici utilizzati per valutare angoli articolari. differenze minute posizionamento posizione dei marcatori possono alterare in modo significativo gli angoli risultanti. misure spazio-temporali hanno molto maggiore affidabilità (che varia 69% - 97%), soprattutto quando si utilizza la carta, matita e fermare il metodo di clock per valutare l'andatura. ²⁰

I progressi tecnologici degli ultimi decenni hanno notevolmente cambiato il modo in cui l'assistenza sanitaria è praticata. Con la recente comparsa di smartphone, l'accesso a Internet, articoli di ricerca on-line, e altre risorse elettroniche sono ora più facilmente disponibili per i medici in ogni momento. Martin et al. ha riferito che "l'uso generale degli smartphone è in aumento nella pratica clinica, formazione medica e della ricerca." ²¹ In questo studio, oltre il 50% dei medici di età inferiore ai 35 hanno risposto che essi hanno implementato utilizzando uno smartphone nella pratica clinica. Questa tendenza incrfacilitato nel 2009, quando il 64% dei medici negli Stati Uniti sono stati trovati a utilizzare gli smartphone nella loro pratica clinica. Lo studio di Manhattan Review ulteriormente previsto che tale crescita continuerà a salire al 81% dei medici e medici di assistenza sanitaria di attuazione utilizzo degli smartphone nella pratica clinica entro il 2012. ²² Mentre ulteriori ricerche non è stato condotto per determinare se questa tendenza al rialzo ha infatti continuato a salire, è ragionevole assumere, con il noto implementazione della tecnologia nel settore sanitario, che l'uso di piattaforme smartphone nella pratica clinica diventerà più comune.

Non è stata stabilita l'uso corrente di applicazioni per smartphone, in pratica, la terapia fisica. Non ci sono stati studi che hanno valutato l'uso di applicazioni di analisi video dello smartphone da un fisioterapista fino ad oggi. Tuttavia, varie applicazioni per smartphone sono stati utilizzati da singoli fisioterapisti come uno strumento di assistenza svolta in oimpostazioni ortopedici utpatient per l'uso sia in riabilitativo e atleti di formazione di varie discipline. applicazioni smartphone sono disponibili in grado di misurare angoli articolari, alcuni dei quali sono stati convalidati anche. ^{23, 24} terapisti individuali hanno iniziato a utilizzare diverse applicazioni di analisi su smartphone per il feedback visivo per il paziente e per una più facile composizione dei vari componenti che possono mancare nel ciclo del passo di un paziente, sulla base di prove aneddotiche. Tuttavia, la validità di queste misure rimane sconosciuta. La ricerca limitata che non esiste per quanto riguarda le applicazioni di analisi video dello smartphone si è concentrata sulla convalida dei parametri dell'andatura cinematici, in particolare alla caviglia, gli angoli del ginocchio e dell'anca, sul piano frontale, ²⁵ e affidabilità tra valutatori del dispositivo. ²⁶ Non ci sono studi fino ad oggi che hanno convalidato l'uso di applicazioni di analisi video di smartphone per registrare kinematics di andatura nel piano sagittale, che è più comunemente eseguita in analisi del passo clinica.

Lo scopo di questo studio è stato quello di testare la validità concorrente delle misure cinematiche registrati dal applicazione per smartphone e confrontarle con le misure registrate da un sistema di motion capture 3D nel piano sagittale. Prevediamo che ci saranno differenze significative tra le misure registrate dall'applicazione smartphone rispetto alle misure registrate dal sistema motion capture 3D. L'obiettivo secondario è quello di testare se due collocamenti distinti della fotocamera dello smartphone dal soggetto (vicino a distanza di 2 m; lontananza di 4 differenza -nt nelle misure tra i due collocamenti distinti della fotocamera dello smartphone Lo scopo finale dello studio. è quello di redigere un protocollo per l'analisi clinica di video andatura utilizzando una applicazione per smartphone.

Protocollo

Questo protocollo è stato approvato dal Comitato Etico della Wayne State University.

1. Preparazione sperimentale

1. telecamere di posizione per catturare l'intero 6-m passerella. Utilizzare un totale di 4 3D movimento le catture telecamere per catturare piedi nel corso di un 6-m passerella.
   1. Posizionare ciascuna delle telecamere ai 4 angoli del 6 m passerella. Orientare ciascuna delle telecamere alle estremità diagonali della passerella di fronte all'altra.
2. Raccogliere altezza, peso e lunghezza delle gambe misure di ogni partecipante.
   1. Misurare la massa in chilogrammi.
   2. Misurare la lunghezza delle gambe (in metri) dal gran trocantere a mediale malleoli di entrambe le gambe con un nastro di misurazione.
   3. Misurare l'altezza (in metri), avendo il partecipante stare nudi accanto a un nastro di misurazione fissato alla parete. Posizionare un righello sulla testa del partecipante per leggere la misura dal nastro di misurazione fissato alla parete.
3. Montare lo smartphone su un treppiede con un treppiede per un clip supporto smart phone. Posizionare il treppiede 2-mo 4 m, perpendicolare al centro della passerella. Casuale l'ordine di questa posizione se l'esecuzione di uno studio di validazione.
4. Luogo gruppi di 3 marcatori intelligenti sul partecipante anteriore bilaterale creste iliache superiori (ASIS), 1/3 superiore della coscia, in alto a 1/3 del polpaccio e dorso del piede. Posizionare un singolo marcatore intelligente in linea mediana tra la posteriore sinistra creste iliache superiore destro.
   1. Fissare i marcatori intelligenti con cinghie in velcro / nastro biadesivo. marcatori della coscia e del polpaccio sicuro nel piano frontale.
5. Luogo adesivi indicanti punti di riferimento ossei oltre mediale bilaterale e condili femorali laterali, mediale e malleoli laterale e lo spazio web tra il primo e il secondo dito per la calibrazione del sistema di motion capture 3D.
   NOTA: La procedura di calibrazione è specifica per ogni laboratorio, e le attrezzature motion capture 3D e software.
6. Per la procedura di calibrazione, fare riferimento al manuale di istruzioni fornito dal produttore del dispositivo 3D motion capture e / o software che viene utilizzato per analizzare i dati. Il processo utilizzato qui comporta l'uso di una strumentale "Wand" con i marcatori intelligenti, per registrare la posizione 3D degli adesivi che sono stati collocati.

2. Esperimento

1. Regolare l'altezza obiettivo della fotocamera telefono intelligente per catturare sia parte inferiore del corpo del partecipante unico (ASIS confine come superiore) o corpo superiore e inferiore (acromion confine come superiore). Misurare l'altezza dal pavimento all'obiettivo della fotocamera in metri.
2. Dare ai partecipanti una prova pratica. Avere un investigatore utilizzare il telefono intelligente, e l'altro utilizzare il computer che controlla il sistema di motion capture 3D. Utilizzare carta numerata per indicare il numero di prova sulla registrazione smart phone.
3. Aprire l'applicazione smart phone. Premere il pulsante rosso "record" sul fondo, centro delle screen per avviare la registrazione (quando in orientamento verticale).
   NOTA: Se lo smartphone è già stato immesso sul cavalletto, il pulsante viene visualizzato al centro, lato destro del telefono, vicino al pulsante home dello smartphone.
4. Istruire il partecipante a camminare al loro passo normale, si è concentrata su un indicatore posto sulla parete opposta per aiutarli a camminare una linea retta. Posizionare lo smartphone parallelamente alla passerella di catturare un profilo laterale del partecipante. Avere il partecipante attraversare i primi due telecamere motion capture 3D posti all'inizio della passerella su entrambi i lati, e camminare verso altre due telecamere motion capture 3D posti all'altra estremità della passerella su entrambi i lati.
   1. Per ogni prova, dare ad ogni partecipante un conto alla rovescia per iniziare (3, 2, 1, Go) e alla fine dello studio (3, 2, 1, STOP).
5. Dopo che il soggetto finisce camminare a 6 m di distanza, selezionare il pulsante rosso "record" ancora una volta per terminare la registrazione questo processo piedi.
6. controllare unmarcatori LL per posizione dopo ogni prova. Se una posizione di marcatore è stato modificato, ritornare al punto 1.6 per ricalibrare il sistema di motion capture 3D per i nuovi collocamenti marcatori.
7. Avere i partecipanti effettuano 3 prove ad ogni distanza della telecamera al punto 2.1.
8. Spostare il treppiede con il telefono intelligente per la seconda distanza. Riportare il partecipante di stare sul punto medio della strada a piedi. Seguire le istruzioni nel protocollo i passaggi 2,2-2,5.
9. Salvare e verificare le registrazioni di motion capture 3D e registrazioni smartphone prima della rimozione dei marcatori intelligenti.

Analisi 3. Dati

1. Seguire le istruzioni del software / del produttore per calcolare l'angolo del ginocchio. registrare manualmente l'angolo del ginocchio che viene visualizzata sullo schermo a tallone e punta fuori fase del ciclo del passo.
2. Completa l'analisi delle registrazioni smart phone per tallone e punta off eventi catturati da un team di due investigatori, che devono concordare il momento del tallone e punta diF e segni di terra di misurazione dell'angolo. Utilizzare uno stilo per una maggiore precisione di posizionamento punto di riferimento per le misure angolari del ginocchio. I passaggi riportati di seguito sono fatte congiuntamente dai due investigatori.
3. Per visualizzare il processo che è stato appena registrato, selezionare la piazza il video in basso a sinistra dello schermo (in orientamento verticale).
4. Utilizzando la barra di scorrimento alla base dello schermo, selezionare il fotogramma in cui il soggetto è più vicino al tallone o del piede fuori (a seconda di quale è la variabile preferito) al centro dello schermo.
5. Per eliminare l'angolo, toccare il, icona della matita delineato bianco sul lato superiore destro dello schermo.
6. Selezionare l'opzione angolo, la seconda opzione nel menu a discesa.
7. Scegliere un colore preferito e il produttore di angolazione. Si prega di notare che solo un angolo può essere misurato in una sola volta. L'angolo misurato in questo protocollo puramente consisteva dell'angolo del ginocchio nel piano sagittale.
8. Far scorrere o toccare lo stilo in qualsiasi punto dello schermo a cadere nelangolo.
9. Posizionare il centro dell'angolo sull'articolazione del ginocchio (condilo laterale), con i vettori raggiungere verso l'alto lungo il femore e basso verso il malleoli laterale.
10. Se necessario, "zoom in" posizionando due dita unite nel centro dello schermo e lentamente li disegno uno dall'altro.
    NOTA: Una volta soddisfatto della posizione dell'angolo, lo strumento calcola automaticamente l'angolo del ginocchio in quel dato frame.
11. Per identificare l'angolo del ginocchio in altre fasi di punta spento o colpi di tacco, ripetere i passaggi 3,4-3,10.

4. protocollo clinico

1. Misurare e segnare una passerella di 6 m con un nastro di misurazione e marcatore del nastro / appiccicoso.
2. Mettere lo smartphone su un cavalletto parallelo e vicino al centro della passerella di 6 metri.
3. Posizionare il treppiede 2 m di distanza dal centro della passerella per catturare l'estremità inferiore, o 4 metri per catturare il tronco e degli arti inferiori. Tutte le posizioni della telecamera consentono illy cattura di cinematica sul piano sagittale.
4. Calcolare l'altezza dell'altezza obiettivo della fotocamera smartphone dal pavimento con le seguenti formule:
   Configurazione Vicino fotocamera (2 m) per la cattura degli arti inferiori solo
   Altezza Obiettivo della fotocamera = (lunghezza della gamba di riferimento di 0.87xPatient in metri) - 0,12
   configurazione della telecamera Far (4 metri) sia per l'acquisizione degli arti inferiori e del tronco
   Obiettivo della fotocamera height = riferimento lunghezza delle gambe del paziente in metri - 0.23
5. sezioni ripetere 2 - 3 per registrare e analizzare i dati utilizzando il telefono app intelligente.

Risultati

Tutti i 32 soggetti hanno completato i 6 prove a piedi; tuttavia, i dati provenienti da 6 dei partecipanti non sono stati inclusi nell'analisi dei dati a causa di problemi tecnici con conseguente scarsa visibilità marcatore. Gli errori di misura assoluti di angoli del ginocchio erano almeno durante punta off eventi (3,12 ± 5,44 gradi) rispetto al tallone (5.81 ± 5.26 gradi) (Tabella 1b). Non ci sono stati accordi statisticamente significative (p> 0,05) tra l...

Discussione

Lo scopo di questo studio di validazione è stato quello di determinare la validità di un applicazione per smartphone liberamente disponibile per essere utilizzato clinicamente come un obiettivo e convenienti mezzi per usare la tecnologia smartphone per l'analisi del cammino cinematica in ambito clinico. studi di validazione esistenti che ha esaminato le misure cinematiche con una applicazione per smartphone sono limitati e non hanno valutato le misure cinematiche dinamiche registrate durante il cammino nel piano s...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hudl Technique App	Hudl	Online app	Freely downladable app from adroid /apple store
Optotrak Certus 3D motion capture system	Northern Digital inc	Optotrak certus System	http://www.ndigital.com/msci/products/optotrak-certus/
Smartphone	Apple	Iphone 5	www.apple.com