Клинико ориентированный трехмерной походка метод анализа для оценки расстройства походки

Резюме

В этом исследовании представлен метод анализа врач friendly трехмерной походки, который был разработан в реабилитационную клинику. Метод состоит из метода упрощенной измерения и интуитивно цифры для клиницистов понимания результатов.

Аннотация

Трехмерные походка анализа (3DGA) показано клинических полезным инструментом для оценки походке ненормальность вследствие нарушения движения. Однако использование 3DGA в фактической клиниках остается редкостью. Возможные причины могут включать процесс измерения времени и трудности в понимании результатов измерений, которые часто представляются с использованием большое количество графиков. Здесь мы представляем клиницист friendly 3DGA метод, разработанный для упрощения клинического использования 3DGA. Этот метод состоит из упрощенных подготовки и измерение процессов, которые могут быть выполнены в короткий период времени в клинических параметров и интуитивно результаты представления для клиницистов понимания результатов. Процедуры измерения быстро, упрощенный достигается за счет использования минимального маркеров и измерение больных на беговой дорожке. Для облегчения понимания клиницист, результаты представлены в цифрах, основанный на перспективе клиницистов. Лиссажу обзор рисунка (ЛОП), который показывает траекторий всех маркеров с целостной точки зрения, используется для облегчения интуитивное понимание структур походки. Аномальные походка шаблон индексов, которые основаны на перспективы клиницистов в походке оценки и стандартизированных данных здоровых испытуемых, используются для оценки степени, типичная походка аномальные шаблонов в пациентов, перенесших инсульт. График, изображающий анализ стратегии разминирования мыс, который изображает, как пациенты полагаться на нормальной и компенсационных стратегий для достижения мыс Распродажа, также представил. Эти методы могли бы способствовать осуществлению 3DGA в клинических условиях и далее поощрять разработку стратегий измерения от точки зрения клинициста.

Введение

Предыдущие исследования показали полезность трехмерного походка анализа (3DGA) для оценки походка после инсульта^1,2,3. Исследования высокого качества движения анализ систем оказывали значительное понимание моделей походка человека, не только здоровых субъектов, но и те, из-за различных движение расстройств, таких как инсульт или церебральным параличом^4,5 . Понимание патологии, оценки больных до начала лечения для планирования или мониторинга последствий вмешательства могут все быть повышен с 3DGA⁶. Кроме того, некоторые недавние исследования продемонстрировали потенциал 3DGA обеспечить руководство для реабилитации учебных^7,8.

Однако использование 3DGA в повседневной клинической практике по-прежнему ограничен. Одна из основных проблем является длительным процессом. Наборы маркеров широко используется в походка анализа^9,10,11 состоят из более чем 30 маркеров для измерения всего тела. Эти маркер наборы позволяют очень точной оценки движения конечностей и туловища. Это способствует точности анализа, который обычно делается из данных ограниченное количество шагов, которые могли бы быть захвачен камер, расположенных вокруг дорожки. Однако это требует длительной подготовки и измерение процессов, который препятствует использованию 3DGA в повседневной клинической практике.

Еще одним недостатком использования 3DGA в клинических условиях является, что это может быть сложно интерпретировать результаты, полученные¹². Результаты 3DGA обычно отображаются в графиков, изображающих параметров, таких как совместные углов и перемещения частей тела. Однако походка оценки в реабилитации клиники не только предполагает, оценки движения частей тела, но также целостного движения шаблоны. Последний может быть понято только путем оценки взаимосвязи между этими параметрами, и трудности, связанные с делать так делает клиницистов, менее склонны использовать 3DGA.

Для решения этих проблем и облегчения использования 3DGA в реабилитационную клинику, мы предлагаем метод измерения упрощенного и интуитивно понятный для 3DGA. Метод измерения состоит из следующего: (1) маркер упрощенный набор с 12 маркеров; (2) измерение больных на беговой дорожке; (3 интуитивно целостный фигура походкой моделям; (4) ненормальное походка шаблон индексов проверяется посредством клинического наблюдения; и (5) Визуализация функций походка стратегии. Протокол, показано в этом исследовании следует руководящим принципам Комитета по медицинской этике учреждения.

протокол

1. Подготовка

Примечание: Метод измерения, предлагаемые в настоящем документе использует маркер упрощенный набор, состоящий из двенадцати маркеров, как указано ниже. Все измерения процесса, включая подготовку, могут выполняться в течение 20 мин. Целесообразность этого протокола в реальных клинических параметров была проверена в предыдущих исследований^{13,14,,1516,17}.

1. Выполните процесс калибровки по данным производителя протокол.
2. Поручить пациентам носить легко fit, плотно облегающий legwear и место цветные маркеры на пациента, как указано ниже.
   1. Разместите маркеры (30 мм в диаметре) в следующих точках на теле пациента: acromia, бедра (в точках одной трети пути от большей вертела бедренной кости вдоль линии, соединяющей каждой передней Улучшенный подвздошной ости с каждым более вертела), колени (на Срединная передний задний Диаметр каждой боковой надмыщелок бедренной кости), лодыжки (боковой malleoli), пальцы (пятой плюсневой глав) и подвздошные гребни (в позиции каждого подвздошный гребень на вертикальной линии, проходящей через бедра).

2. измерение

1. Установите скорость беговой дорожки и измерить походка шаблонов.
   1. Проинструктируйте пациента, чтобы выполнить тест ходьбы 10 m.
   2. Установите скорость субъективно комфортно походки. Установите скорость беговой дорожки, начиная с 70% более местах походки и постепенно увеличивая скорость, чтобы найти удобные походка скорость на беговой дорожке.
   3. Меры ходьба. Для одной сессии он принимает 20 s. Если различные условия (например. скорость походки, ортез и т.д.) нужно сравнить, выполнить несколько сессий. В этом случае у больных отдых за 1 минуту между сессиями.
      Примечание: Хотя 3DGA систем с инфракрасной камеры широко используются в 3DGA исследованиях, видео на основе упрощенной системы анализа движения (частота дискретизации: 60 Гц; например, Kinematracer) используется в настоящем Протоколе сократить процесс калибровки.

3. анализ данных

1. Время расстояние факторы
   Примечание: Время расстояние параметры являются общие и основные параметры, используемые в исследованиях анализ походки. События ноги первоначальных контактов и ног офф определяются автоматически системой, основанной на ноги и лодыжки маркер траекторий.
   1. Чтобы избежать ошибок в шаг обнаружения, имеют две опытные физиотерапевты проверить точность сроков и отрегулировать его, если есть ошибки в шаг времени.
   2. Из этих обнаруженных шаг таймингов Вычислите следующее:
   3. Рассчитать Cadence (шаги/мин) = 60 × 2 / SC (s)
   4. Рассчитать длину шага (м) = GS (m/s) × SC (s) + (Смещение маркера лодыжки от контакта ног к ноге контакт по той же стороне)
   5. Рассчитать длину шага (м) = GS (m/s) × (время от контакта ног одной стороны ног контакт другой стороны) + (средняя разница в положении лодыжки на ноги контакт одной стороны и с другой стороны)
   6. Вычислить шаг ширина (м) = средняя боковое расстояние между обоих маркеров лодыжки двойной фазе
   7. Рассчитать продолжительность двойной позиции: сумма двойной фазе, появляется дважды во время цикла походки; время между ног контакт одной стороны и последующего ног покинуть на другой стороне.
   8. Рассчитать продолжительность одной позиции: среднее время между ног у и последующих ног связаться с противоположной стороны.
      Примечание: SC (шаг цикла): среднее время от пятку одной стороны контакту пятки же стороны. ** GS (походка скорость)
2. Лиссажу обзор рисунка (ЛОП)
   Примечание: Тройственной предназначены как рисунок, состоящий из маркера совместные траектории на крупных суставов с целью облегчения понимания реабилитации пациентов целостный походка моделей¹⁴ (см. Рисунок 1).
   1. Генерировать тройственной от траектории в точке с координатами 10 маркеров и виртуальный центр тяжести (COG) в горизонтальной (x-y), сагиттальная (y-z) и самолеты корональный (z-x) (x: влево/вправо, y: передней/задней, z: Улучшенный/уступает).
      1. Нарисуйте LOP с программным обеспечением или путем строительства рассеяния, который охватывает диапазон движения всех маркеров на программное обеспечение электронной таблицы. Рассчитать виртуальный COG, гипотез каждый сегмент тела будет следующим: ствол, 0,66; бедра, 0.1; Голень, 0,05; и ноги, 0,02. Впоследствии вычислить COG как центр композиции слоев.
   2. На каждый маркер извлечь исходные данные для трех компонентов (x, y и z) для каждого цикла походки, нормализации их походку цикла и средние значения. Средние значения из x - и y компоненты виртуального COG равным 0 и использовать их в качестве ссылки для x - и y компоненты маркеров.
3. Расчет индекса аномальные походки для результате походки
   Примечание: Несколько общих шаблонов походка известны особенности походки результате после инсульта. К ним относятся хип походы, циркумдукция и бокового сдвига ствола¹⁸. Для количественной оценки степени эти походка моделей^13,16,17были разработаны индексы для шаблонов аномальные походки. На сегодняшний день, десять аномальные походка индексов (хип) туризм, циркумдукция, стопы контакт, компресиия бедра, чрезмерное хип внешнее вращение, чрезмерное бокового сдвига ствола за независимость стороне, разгибателей колена тяги, согнутом колене походки, недостаточно колена сгибания во время фазой и медиальной Кнут) поступало. Формула для каждого индекса показано в таблице 1.
   1. Вычислить необработанное значение индексов по формулам. Например вычислить необработанное значение индекса для хип походов как разница между максимальным значением z координата тазобедренного сустава маркера на этапе качели и параллельных z координата маркера контралатеральной тазобедренного сустава, исправлены для среднего разница в лево правой z-координаты в ходе этапа двойной поддержки.
   2. Вычислить отклонение Оценка (т СКОР) на основе данных измерений здоровых испытуемых. Рассчитать показатель стандартизированных следующим: T = 50 + 10 × (X−µ) / δ (оценка отклонения T:; X: индивидуальных данных; мкг: означает необработанное значение здоровых испытуемых; Δ: стандартное отклонение).
4. Анализ стратегии разминирования мыс
   Примечание: Стратегии для ног Распродажа во время качели сильно различаются между здоровых людей и больных с парез нижних конечностей. В здоровых испытуемых мыс зазора достигается путем конечностей, сокращения, с минимальным движениями таза или туловища. С другой стороны больные с парезами нельзя сократить их конечностей в той же степени. Для этих больных результате компенсационных стратегий таких как наклона таза или циркумдукция также влияют на носок Распродажа¹⁹. В этом анализе, высота ног Распродажа в середине swing делится на две части: вертикальный прирост посредством Шортенинг конечностей и что накопленный компенсаторных движений, которые непосредственно влияют на мыс распродажа. Компоненты, которые составляют мыс Распродажа (вертикальный компонент конечности сокращения, наклон таза, хип похищения и своды) рассчитываются как указано ниже.
   1. Вычислите общее мыс распродажа от z координата пятой плюсневой головки как индекс мыс распродажа.
   2. Вычислите вертикальный компонент конечностей, сокращение как z координата изменения расстояния между бедра и пятой плюсневой головкой.
   3. Вычислить вертикальный компонент компенсационного движения путем суммирования трех подкомпонентов, следующим образом.
      1. Вычислить вертикальный компонент наклон таза как разница в высоту (z координату) хип маркеров.
      2. Вычислите вертикальный компонент хип похищения как расстояние между бедра и пятой плюсневой головкой и похищение углов. Это отражает вверх расстояние, что ноги бы переехал в результате хип похищения если никаких изменений длины нижних конечностей.
      3. Вычислите вертикальный компонент своды от изменений в z координата контралатерального сустава между середине позицию и середине swing²⁰.

Результаты

Метод, представленные в настоящем документе используется для оценки больных с нарушениями походки. Результаты анализа представлены на рисунке 2, рис. 3и рис. 4. Эти цифры показывают результаты упрощенной 3DGA пациента с гемипарез и здорового контроля. Рисунок 2 показывает представитель LOP шаблона полный походкой пациента инсульт. В этом пациента типичная походка шаблонов, таких как циркумдукция, хип фасада и боковое движение ствола были замечены. Рисунок 3 — радар-диаграммы показаны инсульт пациентов аномальные походка индекс (отклонение Оценка). Стандартизированные десятки циркумдукция и хип высота были высокий, указав, что эти движения в пациентов, перенесших инсульт были гораздо больше, чем стандарт здоровых испытуемых. Наконец Рисунок 4 — это граф, изображающие стратегии разминирования мыс пациента инсульт и соответствует возрасту здоровая тема. В теме здорового мыс Распродажа обычно достигается конечности сокращения, в то время как в ход пациента, она достигается главным образом компенсаторных движений, таких как наклон таза и своды.

Рисунок 1: Лиссажу обзор изображение (ЛОП), состоящее из трех фигур: (A) сагиттальной плоскости, корональных плоскости (B) и (C) горизонтальной плоскости. Каждый траектории показывает усредненное походка цикла движения совместного маркеров и предположил центр тяжести. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: Лиссажу обзор рисунка (ЛОП) представитель инсульта пациента: (A) сагиттальной плоскости, корональных плоскости (B) и (C) горизонтальной плоскости. Усилилось движение туловища (белая стрелка), хип Пешие прогулки (черная стрелка), и циркумдукция (серая стрелка) были замечены от целостный обзор с помощью Лоп. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: лепестковая диаграмма аномальные походка индексов. Средняя оценка здоровых испытуемых имеет значение 50. Высокий стандарт балл представляет высокая аномалия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: график, показывающий мыс стратегии разминирования в инсульта пациент против здоровая тема. Мыс зазора достигается исключительно на конечности, сокращение в теме здорового, тогда как компенсаторных движений (хип походы, хип похищения и своды) также влияют на мыс Распродажа в ход пациента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Походка шаблоны	Формула
Хип-Пешие прогулки	разница между максимальное значение координаты Z маркера тазобедренного сустава на этапе качели и координата Z маркера контралатеральной тазобедренного сустава в то же время, исправлены для средняя разность влево координаты Z во время двойной фаза поддержки
Циркумдукция	разница в расстоянии между боковой большинство X координировать лодыжки совместной маркера во время 25-75% swing фазы и медиальной большинство X координировать во время 25-75% фазе
Стопы контакт	разница в расстоянии координату Z маркера совместных лодыжки и координата Z маркера мыс на первоначальный контакт, минус разница в расстоянии между Z координаты лодыжки совместной маркер и маркер ног во время постоянного
Компресиия тазобедренного сустава	Среднее расстояние между Y координата голеностопного сустава и координата Y тазобедренного сустава в одной фазе
Чрезмерная хип внешнее вращение	Среднее расстояние между координату X голеностопного сустава и координату X мыс в фазой
Чрезмерное боковое смещение ствол за независимость	Среднее расстояние между (1) бокового большинство координату X посредине между двусторонним acromions в части этапа двойной позицию, в которой пораженной ноги расположен за независимость ногу и фазой из пострадавших ногу и (2 в среднем X координата посредине между двусторонним голеностопного суставов в части этапа двойной позицию, в которой пораженной ноги расположен за независимость ногу
Разгибателей колена тяги	разница между максимальной Y координировать скорость коленного сустава в одной фазе пораженной ноги и скорость походка беговая дорожка
Согнутом колене походки	Максимальная колено угол расширения в одной фазе пострадавших ногу
Сгибание колена Недостаточное на этапе качели	угол сгибания максимальная колена в фазе качели, по сравнению с угол сгибания колена для здоровых испытуемых
Медиальной хлыст	Расстояние между самой боковой X координата голеностопного сустава во время 75-100% в фазе опоры и самой медиальной X координата голеностопного сустава во время 25-75% в фазе опоры пораженной ноги
	Координат X, Y и Z указывает lateromedial, anteroposteriol и по вертикали, соответственно

Таблица 1: Формулы для шаблонов аномальные походки

Обсуждение

В нынешнем докладе был предложен метод упрощенный 3DGA. Эта система была разработана для использования в повседневной практике и включает в себя метод упрощенного измерения и врач friendly презентация результатов.

Несколько предыдущих докладах использовали 3DGA и базовые знания человека походка была ранее установленных²¹. 3DGA имеет потенциал, чтобы способствовать реабилитации клиники, например, путем улучшения понимания патологии расстройства походки, для использования в планировании лечения, или в наблюдении за последствиями вмешательства. Однако использование 3DGA в реабилитации клиники остается довольно низким. Существует несколько возможных препятствий для использования 3DGA в клинических условиях. Время, необходимое скорее всего является основным препятствием, как научно исследовательской 3DGA обычно требует значительного времени (т.е., для калибровки системы и монтаж маркеров). Другой проблемой является, что интерпретация результатов может быть сложным. Расстройства походки обычно включают ряд отклонений в движение, и понимание различных графиков, вытекающие из анализа требует опыта. С точки зрения клинической осуществимость анализа систем с упрощенные методы и представления данных интуитивно бы полезным.

Значительная подготовка время, необходимое для анализа существующих методов связана с стремление к точности измерения. Однако скорость движения пациентов с нарушениями походки ограничено и в повседневной практике реабилитации мы не может требовать этого уровня точности. В текущем методе протокол является упрощенной и могут быть выполнены в течение периода времени, который должен быть достаточно коротким для практической осуществимости в ежедневно практике реабилитации при сохранении требования к оценке пациентов с движением расстройства^{13 , 15 , 16 , 17}.

В текущем методе клиническим требованиям метод представления результатов. В реабилитации клиники врачи обычно начинаются путем оценки целостный походка шаблоны. LOP призвана помочь оценить шаблоны целостный походки, интуитивно с помощью представителя изображением клиницисты (т.е., рисунок) в котором маркером траекторий размещаются согласно фактической позиционных отношений. Разработка показателей аномальные походки, используемые здесь также основывается на клиническом опыте. Были разработаны индексы для количественной оценки степени клинически общих шаблонов аномальные походкой наблюдается в пациентов, перенесших инсульт, и одновременно сроками действия всех индексов через клинические наблюдения были подтверждены физиотерапевты^{13, 15,16}.

Помимо того, что метод объективной оценки, который отражает клинический опыт, предложенный метод идеально внесет вклад в разработке новых стратегий реабилитации. Анализ стратегии разминирования мыс выходит за рамки обычных клинической оценки и имеет потенциал, чтобы способствовать планированию целевых реабилитационных процедур. В предложенный метод и анализе клиницисты представлены с двумя целями для реабилитации; степень мыс разминирования и степени компенсации для его достижения. Само по себе увеличение мыс Распродажа имеет важное значение для безопасной ходьбы; Однако сокращение компенсации может также улучшить пешеходных эффективности²². В текущем методе клиницисты будут иметь доступ к обоим наборам информации как индексы безопасной ходьбе и пешеходных эффективности, которые могут способствовать разработке целенаправленных стратегий реабилитации для повышения безопасности и эффективности ходить в Реабилитация больных.

С учетом вышеперечисленных качеств, этот метод измерения и анализа может облегчить использование 3DGA в клинике реабилитации, обеспечивая объективный метод оценки моделей походки в реабилитации больных. Кроме того он мог бы позволить более точную оценку воздействия вмешательства, чем обычные весы, используемые в клинике, которая могла бы способствовать дальнейшему улучшению качества вмешательства в области реабилитации.

Это исследование не было без ограничений. С учетом сокращения количества маркеров и относительно низкую частоту дискретизации точность измерения в этой системе могут быть ограничены по сравнению с существующими системами. Это может быть важным фактором при анализе быстрых движений таких профессионалов спорта. В частности при оценке совместных углы или совместных движений, наборе упрощенной маркер, используемый в этом методе могут быть недостаточно точно оценить совместные позиции. Соответственно анализ, который делает акцент на совместного движения, такие как анализ для планирования ДЦП хирургии, также могут быть ограничены с помощью этой упрощенной системы. Хотя система была проверена по клинической оценки, психометрических свойств этого метода еще не определены по сравнению с методом золотого стандарта. Технические ограничения должны быть далее подтверждены в будущих исследованиях.

Однако у больных с нарушениями походки, скорость движения ограничена, и различия в производительности очевидны по сравнению с здоровых испытуемых. Таким образом в повседневной практике, мы не можем потребовать уровень точности, предоставляемой существующими методами. Кроме того в этом методе, представлены результаты как шаблон усредненной походки для 20 s измерения периода, который длиннее, чем у большинства обычных методов измерения надземной походки. Эта функция может повысить точность и надежность измерения.

В заключение, в этом исследовании, была введена упрощенная и интуитивно 3DGA метод. Для облегчения использования 3DGA в улучшении качества реабилитации клиники, следует разработать метод клинически возможности измерения. Врач friendly метод, представленный здесь может стимулировать дальнейшее развитие клинически возможно измерение модели и осуществление 3DGA в ежедневно реабилитационных клиниках.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
KinemaTracer	KisseiComtec Co., Ltd.	KinemaTracer-6Cam	A simple video-based 3D motion analysis system that consists of camera, workstation and softwares.