Sanal modifiye edilmiş bir kutu ve blok testi sırasında hareket ve kas aktivitesinin kantitatif değerlendirmesi için kurulum

Özet

Burada açıklanan protokol, hem klinikte hem de evde uzaktan değerlendirme için ek teknoloji geliştirmek amacıyla üst ekstremite eksikliklerinin kantitatif değerlendirmesini geliştirmeyi amaçlamaktadır. Sanal gerçeklik ve biyosensör teknolojileri, nöromüsküler sistemin işleyişi hakkında bilgi sağlamak için standart klinik tekniklerle birleştirilir.

Özet

Hareket etme yeteneği, dünya ile etkileşim kurmamızı sağlar. Bu yetenek bozulduğunda, kişinin yaşam kalitesini ve bağımsızlığını önemli ölçüde azaltabilir ve komplikasyonlara yol açabilir. Yüz yüze hizmetlere sınırlı erişim nedeniyle uzaktan hasta değerlendirmesi ve rehabilitasyonunun önemi son zamanlarda artmıştır. Örneğin, COVID-19 salgını beklenmedik bir şekilde katı düzenlemelerle sonuçlandı ve acil olmayan sağlık hizmetlerine erişimi azalttı. Ek olarak, uzaktan bakım, hizmetlere erişimin sınırlı kaldığı kırsal, yetersiz hizmet alan ve düşük gelirli bölgelerdeki sağlık eşitsizliklerini ele alma fırsatı sunar.

Uzaktan bakım seçenekleri aracılığıyla erişilebilirliğin iyileştirilmesi, hastane veya uzman ziyaretlerinin sayısını sınırlayacak ve rutin bakımı daha uygun maliyetli hale getirecektir. Son olarak, evde bakım için hazır bulunan ticari tüketici elektroniğinin kullanılması, semptomların, tedavi etkinliğinin ve tedavi dozunun iyileştirilmiş kantitatif gözlemi nedeniyle hasta sonuçlarını iyileştirebilir. Uzaktan bakım, bu sorunları ele almak için umut verici bir araç olsa da, bu tür uygulamalar için motor bozukluğunu nicel olarak karakterize etmek için çok önemli bir ihtiyaç vardır. Aşağıdaki protokol, klinisyenlerin ve araştırmacıların karmaşık hareket ve altta yatan kas aktivitesi hakkında yüksek çözünürlüklü veriler elde etmelerini sağlamak için bu bilgi boşluğunu ele almayı amaçlamaktadır. Nihai hedef, fonksiyonel klinik testlerin uzaktan uygulanması için bir protokol geliştirmektir.

Burada, katılımcılara el fonksiyonunu değerlendirmek için sıklıkla kullanılan, tıbbi olarak ilham alan bir Kutu ve Blok görevi (BBT) yapmaları talimatı verildi. Bu görev, deneklerin standartlaştırılmış küpleri bir bariyerle ayrılmış iki bölme arasında taşımasını gerektirir. Uzaktan değerlendirme protokolleri geliştirme potansiyelini göstermek için sanal gerçeklikte değiştirilmiş bir BBT uyguladık. Yüzey elektromiyografisi kullanılarak her denek için kas aktivasyonu yakalandı. Bu protokol, hareket bozukluğunu ayrıntılı ve nicel bir şekilde daha iyi karakterize etmek için yüksek kaliteli verilerin elde edilmesine izin verdi. Sonuç olarak, bu veriler sanal rehabilitasyon ve uzaktan hasta izleme için protokoller geliştirmek için kullanılma potansiyeline sahiptir.

Giriş

Hareket, dünyayla nasıl etkileşim kurduğumuzdur. Bir bardak su almak veya işe yürümek gibi günlük aktiviteler basit görünse de, bu hareketler bile merkezi sinir sistemi, kaslar ve uzuvlar arasındaki karmaşık sinyallere dayanır¹. Bu nedenle, kişisel bağımsızlık ve yaşam kalitesi, bireyin uzuv işlevinin seviyesi ile yüksek oranda ilişkilidir ^2,3. Omurilik yaralanması (SKY) veya periferik sinir yaralanmasında olduğu gibi nörolojik hasar, kalıcı motor eksikliklere neden olabilir ve böylece kişinin günlük yaşamın basit aktivitelerini bile gerçekleştirme yeteneğini azaltabilir ^4,5. Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü'ne göre, Amerika Birleşik Devletleri'nde 100 milyondan fazla insan motor eksiklikler yaşamaktadır ve inme önde gelen nedenlerden biridir ^6,7,8. Bu yaralanmaların doğası gereği, hastalar genellikle kantitatif motor değerlendirme ve uzaktan tedavinin faydalı olabileceği uzun süreli bakıma ihtiyaç duyarlar.

Hareket bozukluklarını tedavi etmek için mevcut uygulamalar genellikle fiziksel veya mesleki terapistler gibi eğitimli uzmanlar tarafından gözlem yoluyla fonksiyonun hem ilk hem de devam eden klinik değerlendirmesini gerektirir. Standart olarak doğrulanmış klinik testler genellikle, belirli zaman kısıtlamaları ve önceden tanımlanmış hareketlerin veya fonksiyonel görevlerin öznel puanlaması ile bunları uygulamak için eğitimli profesyoneller gerektirir. Bununla birlikte, sağlıklı bireylerde bile, eklem açılarının değişen kombinasyonları ile aynı hareketler gerçekleştirilebilir. Bu kavram kas-iskelet sistemi fazlalığı olarak adlandırılır.

Fonksiyonel klinik testler genellikle denekler arası değişkenliğin altında yatan bireysel fazlalığı hesaba katmaz. Hem klinisyenler hem de araştırmacılar için, fazlalığın neden olduğu normal değişkenlik ile hareketteki patolojik değişiklikler arasında ayrım yapmak bir zorluk olmaya devam etmektedir. İyi eğitimli değerlendiriciler tarafından gerçekleştirilen standartlaştırılmış klinik değerlendirmeler, değerlendiriciler arası değişkenliği azaltmak ve test geçerliliğini artırmak için düşük çözünürlüklü puanlama sistemlerini kullanır. Bununla birlikte, bu, tavan etkilerini ortaya çıkarır, böylece hafif hareket eksikliği olan denekler için duyarlılığı ve öngörücü geçerliliği düşürür ^9,10. Ayrıca, bu klinik testler, eksikliklerin pasif vücut mekaniğinden mi yoksa aktif kas koordinasyonundan mı kaynaklandığını ayırt edemez, bu da ilk tanı sırasında ve hastaya özgü bir rehabilitasyon planı tasarlanırken önemli olabilir. Randomize klinik çalışmalar, bu klinik testler tarafından sağlanan kanıtlara dayanarak formüle edilen tedavi planlarının tutarsız etkinliğini ortaya koymuştur 11,12,13. Çeşitli çalışmalar, gelecekteki müdahalelerin tasarımına rehberlik etmek için kullanılabilecek nicel, kullanıcı dostu klinik metriklere duyulan ihtiyacı vurgulamıştır^14,15.

Önceki çalışmalarda, meme kanseri hastalarında göğüs cerrahisi sonrası omuz fonksiyonunun değerlendirilmesinin yanı sıra, inme sonrası kol bozukluğunda hazır bulunan tüketici hareket yakalama cihazları kullanılarak otomatik hareket değerlendirmesinin uygulanmasını gösterdik^16,17. Ek olarak, belirli aktif hareketlerin kas momentlerini tahmin etmek için aktif eklem momentlerinin kullanılmasının, eklem açılarına kıyasla inme sonrası motor eksikliklerin daha hassas bir ölçüsü olduğunu gösterdik¹⁸. Bu nedenle, hareket yakalama ve yüzey elektromiyografisi (EMG), standart klinik testlerle asemptomatik olarak teşhis edilen, ancak yine de hareket güçlüğü, yorgunluk veya ağrı yaşayabilen hastaların değerlendirilmesinde kritik öneme sahip olabilir. Bu makale, hareket bozukluğu olan hasta popülasyonlarında evde değerlendirme ve rehabilitasyon yöntemlerinin gelecekteki gelişimi için standart klinik testler sırasında hareketin ayrıntılı ve kantitatif karakterizasyonunu sağlayabilecek bir sistemi açıklamaktadır.

Sanal gerçeklik (VR), günlük görevleri modellerken sürükleyici bir kullanıcı deneyimi oluşturmak için kullanılabilir. Tipik olarak, VR sistemleri, sanal ortamla simüle edilmiş etkileşimlere izin vermek için kullanıcının el hareketlerini izler. Burada tanımladığımız protokol, inme veya omuz cerrahisi sonrası bozulmanın kantitatif değerlendirmesinde kullanıma hazır video oyun denetleyicilerinin kullanımını gösteren diğer çalışmalara benzer şekilde, motor açıkların değerlendirmesini ölçmek için hareket yakalama için tüketici VR ürünlerini kullanır^16,17. Ek olarak, EMG, kas kasılmasının altında yatan nöral aktivitenin invaziv olmayan bir ölçüsüdür¹⁹. Bu nedenle, EMG, hareketin nöral kontrolünün kalitesini dolaylı olarak değerlendirmek ve motor fonksiyonun ayrıntılı bir değerlendirmesini sağlamak için kullanılabilir. Kas ve sinir hasarı EMG ile tespit edilebilir ve kas distrofisi ve serebral palsi gibi bozukluklar bu teknik kullanılarak yaygın olarak izlenir^20,21. Ayrıca, EMG, kinematik değerlendirmelerde^22,23 belirgin olmayabilecek kas gücü veya spastisitedeki değişikliklerin yanı sıra yorgunluk ve kas koaktivasyonunu izlemek için kullanılabilir. Bu gibi metrikler rehabilitasyon ilerlemesini dikkate almada kritik öneme sahiptir 23,24,25.

Burada açıklanan deneysel paradigma, geleneksel klinik değerlendirme araçlarının sınırlamalarını ele almak için VR ve EMG'nin bir kombinasyonundan yararlanmayı amaçlamaktadır. Burada, katılımcılardan gerçek nesneleri kullanarak ve VR'de değiştirilmiş bir Kutu ve Blok görevi (BBT)²⁶ gerçekleştirmeleri istendi. Standart BBT, brüt üst ekstremite fonksiyonunun genel değerlendirmesinde kullanılan ve deneklerden bir bölmeden bir bölme üzerinden bir dakika içinde bitişik bir bölmeye mümkün olduğunca çok sayıda 2,5 cm'lik bloğu hareket ettirmelerinin istendiği klinik bir araçtır. Genellikle inme veya diğer nöromüsküler rahatsızlıkları olan hastalarda (ör., üst ekstremite parezi, spastik hemipleji) eksiklikleri güvenilir bir şekilde değerlendirmek için kullanılırken, 6-89 yaş arası sağlıklı çocuklar ve yetişkinler için de normatif veriler bildirilmiştir²⁶. Gerçek hayatta gerçekleştirilen doğrulanmış klinik testin işlevsel yönlerini simüle etmek için sanal bir hareket değerlendirmesi kullanılır. VR burada, standartlaştırılmış talimatların ve programlanmış, otomatik puanlamanın sağlanmasına izin verirken gerekli donanımı azaltmak için kullanılır. Bu nedenle, eğitimli profesyoneller tarafından sürekli denetim artık gerekli olmayacaktır.

Bu çalışmadaki BBT, aynı yerde görünen bir blokun her seferinde ulaşmasını ve kavranmasını yakalamaya odaklanacak şekilde basitleştirilmiştir. Bu, hareketlerin tekrarlanabilirliğini en üst düzeye çıkardı ve kaydedilen verilerdeki denekler arası değişkenliği en aza indirdi. Son olarak, sanal gerçeklik kulaklıkları 300 $ gibi düşük bir fiyata satın alınabilir ve birden fazla değerlendirmeye ev sahipliği yapma potansiyeline sahiptir. Bir kez programlandıktan sonra, bu, tipik profesyonel değerlendirme ile ilişkili maliyeti önemli ölçüde azaltacak ve hem klinik hem de uzaktan/ev ortamlarında bu standart, doğrulanmış klinik testlerin erişilebilirliğinin artmasına izin verecektir.

Protokol

Deneysel prosedürler, West Virginia Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu (IRB), protokol # 1311129283 tarafından onaylandı ve Helsinki Bildirgesi'nin ilkelerine bağlı kaldı. Bu protokolden kaynaklanan riskler önemsizdir, ancak katılımcılara tüm prosedürlerin ve potansiyel risklerin açıklanması ve kurumsal etik inceleme kurulu tarafından onaylanan belgelerle yazılı, bilgilendirilmiş onam alınması gerekmektedir.

1. Sistem özellikleri ve tasarımı

NOT: Bu protokolün kurulumu aşağıdaki öğelerden oluşur: (1) EMG sensörleri ve tabanı, (2) EMG veri toplama (DAQ) yazılımı, (3) bir hareket yakalama sistemi ve (4) ilgili yazılıma sahip bir VR kulaklığı. Bu bileşenler Şekil 1'de görselleştirilmiştir.

1. Sistem bileşenlerinin kurulumu
   1. EMG sistemini bağlayın.
      1. EMG baz istasyonunu güç sağlamak için prize takın.
      2. EMG baz istasyonunu DAQ komut dosyalarını içeren özel bir bilgisayara (Şekil 1C) bağlayın.
         NOT: Örnek komut dosyaları şu adreste bulunabilir: https://www.dropbox.com/sh/7se5lih4noxj584/AACqFDZytpDm-L8jAULFwfTHa?dl=0. Bazı ticari ürünler, aynı zamanda kullanılabilecek lisanslı DAQ yazılımıyla birlikte gelebilir.
   2. Hareket yakalama sistemini bağlayın.
      1. İkinci bir ayrılmış bilgisayarı (Şekil 1A) bir ağ yönlendiricisine bağlayın.
      2. Ağ yönlendiricisini bir hareket yakalama sunucusuna bağlayın.
      3. Görselleştirme için hareket yakalama sunucusunu bir bilgisayar monitörüne bağlayın.
      4. Kameraları hareket yakalama sunucusuna bağlayın.
   3. VR sistemini bağlayın.
      1. VR gözlüğünü, ilgili DAQ komut dosyalarına sahip üçüncü bir özel bilgisayara bağlayın (Şekil 1B).
         NOT: Örnek komut dosyaları şu adreste bulunabilir: https://www.dropbox.com/sh/7se5lih4noxj584/AACqFDZytpDm-L8jAULFwfTHa?dl=0
      2. Amaçlanan görevleri içeren VR oyun ortamını, VR gözlüğüne bağlı bilgisayara yükleyin (Şekil 1B).
   4. Konunun görevi tamamlayacağı alanı hazırlayın.
      1. Nesnenin normal uzanmasına herhangi bir müdahale olmadığından emin olmak için kolsuz, sağlam bir sandalye kullanın.
      2. Toplanan verilerin güvenliği ve doğruluğu için, test alanının tüm engellerden arınmış olduğunu onaylayın.
   5. Sistemleri senkronize edin.
      1. Sistemleri zamanında tek seferlik bir sunucuya senkronize etmek için özel bir yazılım işlevi kullanın.
      2. Alternatif olarak, bir bilgisayar veya tercih edilen bir ileti yöneticisi kullanın.

Şekil 1: Deney ekipmanı kurulumu. (A) İşaretleyici hareket yakalama kameraları, hareketi izlemek için en uygun alanı oluşturacak şekilde deney alanının etrafındaki zemine ve tavana yerleştirilmiştir. Hareket yakalama yazılımını çalıştırmak ve verileri kaydetmek için özel bir bilgisayar kullanılır. (B) Değiştirilmiş BBT'yi VR'de görüntülemek için kullanılan kulaklık, sanal değerlendirme ve görev verilerinin kaydedildiği özel bir bilgisayara bağlanır. (C) EMG tabanı, görevin yürütülmesi sırasında kas aktivitesi verilerinin kaydedildiği ve kaydedildiği özel bir bilgisayara bağlanır. EMG sensörleri ve hareket yakalama için LED işaretleyiciler, seans sırasında deneğin koluna yerleştirilir (bkz. Şekil 2). Kısaltmalar: VR = sanal gerçeklik; EMG = elektromiyografi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Deneysel prosedürler

NOT: Bu protokolde açıklanan deneysel akışın görsel bir temsili Şekil 2'de gösterilmiştir.

1. EMG'yi Ayarla
   1. En iyi sinyal kalitesi için EMG sensörü yerleşimini belirlemek için, katılımcı ilgili kası kasılırken kas göbeğini palpe edin²⁷. Bu protokolde kullanılan kas seçimi için Tablo 1'e bakınız.
   2. Alkollü bir mendil kullanarak, her bir elektrotu ve deneğin kolundaki amaçlanan sensör yerleştirme bölgesini dikkatlice temizleyin.
      NOT: Hem EMG sensörlerinin hem de deneğin cildinin kapsamlı bir şekilde temizlenmesi, düşük bir elektrot-cilt empedansı sağlayacaktır. Bu, kaydedilen EMG verilerinin yüksek bir sinyal-gürültü oranına sahip olmasını sağlar. Sensör yerleştirme yerindeki fazla tüy, uygun şekilde temizlense bile düşük kaliteli verilere neden olabilir. Bu durumda saçları tıraş etmek gerekebilir.
   3. EMG elektrotlarını ve deneğin cildini hazırladıktan sonra, EMG sensörlerini konunun üzerine yerleştirin ve elektrotlar ile cilt arasında iyi bir temas sağlayın. Bipolar elektrotlar, sensörler kas liflerinin yönüne paralel olacak şekilde konumlandırılmalıdır.
2. Hareket yakalama sistemini kurun
   NOT: Kinematik için el hareketlerini izlemek için yalnızca bir VR gözlüğü kullanılıyorsa bu gerekli olmayabilir.
   1. Üreticinin talimatlarını kullanarak hareket izleme kameralarını kalibre edin. Hareket izleme kameralarını kalibre etmek ve alanın 3B eksenini ayarlamak için kalibrasyon çubuğunu deney alanı boyunca hareket ettirin.
      NOT: Bu protokolde kullanılan işaretleyici hareket yakalama sistemi, LED işaretleyicilere sahip bir kalibrasyon çubuğu içerir.
   2. LED hareket yakalama işaretleyicilerini, istenen biyomekanik modelleri oluşturmak için gerekli olan öznenin üst ekstremitesinin ve gövdesinin kemikli yer işaretlerine yerleştirin.
   3. Tüm işaretçilerin hareket yakalama kameraları tarafından tanınmasını ve izlenmesini sağlamak için sağlanan hareket yakalama yazılımını kullanın. Çalışma personeli işaretleyici verilerini gerçek zamanlı olarak görsel olarak izlerken deneğe birkaç uygulama hareketi gerçekleştirmesi talimatını verin.
3. VR beceri değerlendirme görevini ayarlayın
   1. Hareket yakalama deney alanının ortasına bir sandalye yerleştirin. Geleneksel, gerçek dünya testi için kullanılana benzer bir sandalye kullanın.
   2. VR gözlüğünü, deneğin değerlendirme görevini gerçekleştireceği sandalyede kalibre edin. Kalibre edildikten sonra, deneğe sandalyeye oturmasını ve VR kulaklığını kafasına yerleştirmesini söyleyin.
   3. Denek otururken, deneğin omzu ile yer arasındaki mesafeyi ve deneğin kolunun uzunluğunu ölçün. Tablonun ve değerlendirme görevinin VR'de ortaya çıkacağı konumu ayarlamak için bu mesafeleri kullanın.
   4. VR görev kontrol komut dosyasında, öznenin ölçümlerini girin ve istenen sayıda blok oluşturma tekrarını programlayın.
      NOT: Bu Değiştirilmiş BBT'de, tekrarlanabilirliği artırmak için tek tek bloklar birer birer ortaya çıkacaktır.
4. Deneğe değiştirilmiş BBT değerlendirmesini VR'de gerçekleştirmesi talimatını verin.
   1. Konuya görevin kısa bir açıklamasını sağlayın.
      1. Sanal blok, deneyci tarafından belirlendiği gibi sol veya sağ tarafta ortaya çıkacaktır.
      2. Deneğe sanal bloğu almaları, bölme üzerinden taşımaları ve karşı bölmedeki hedefin üzerine yerleştirmeleri gerekeceğini açıklayın (Şekil 2).
         NOT: Burada kullanılan sanal modifiye edilmiş BBT'de, blok otomatik olarak kaybolacak ve deneyci tarafından belirlenen sayıda başlangıç konumunda yeniden doğacaktır.
   2. EMG verilerini toplamaya başlayın.
   3. Hareket yakalama verilerini toplamaya başlayın.
   4. VR beceri değerlendirme görevini başlatın.
      1. Otomatik olarak sona ermeden önce görevin önceden ayarlanmış tekrar sayısı kadar çalışmasına izin verin.
   5. Post-hoc analiz için EMG ve kinematik verileri kaydedin.
   6. Bariyer üzerinden başarıyla taşınan blok sayısı veya görevin 60 saniye içinde tekrarlanması olarak Modifiye BBT post-hoc için klinik olarak anlamlı bir skor belirleyin.

Şekil 2: Deney protokolü, VR görevi ve denek kurulumu. (A) Burada kullanılan deneysel protokolü açıklayan akış diyagramı. (B) VR ortamında uygulanan değiştirilmiş BBT'nin örnek görünümü. Anatomik ölçümler, VR görevini kalibre etmek için kullanılır ve sanal masanın doğru göreceli konumda ortaya çıkmasını sağlar. (C) LED hareket yakalama işaretleyicilerinin ve EMG sensörlerinin konu üzerine yerleştirilmesi. EMG sensörleri ilgilenilen kaslara yerleştirilir ve LED hareket yakalama işaretleri kemikli yer işaretlerinin üzerine yerleştirilir. Kısaltmalar: VR = sanal gerçeklik; EMG = elektromiyografi; LED = ışık yayan diyot. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuçlar

Bu protokolü kullanan deneklerden elde edilen EMG, kinematik ve kuvvet verileri, aynı görevin tekrarları boyunca ve farklı görevler sırasındaki hareketleri karakterize etmek için kullanılabilir. Burada gösterilen veriler, bu kurulumun fizibilitesini göstermek için sağlıklı kontrol katılımcılarından elde edilen sonuçları temsil etmektedir. VR'de modifiye BBT yapan sağlıklı bir denekten kaydedilen temsili EMG profilleri Şekil 3'te gösterilmektedir. Anterior deltoidin...

Tartışmalar

EMG sistemi
EMG sisteminin donanımı, kas aktivasyon verilerini elde etmek için kullanılan 15 adet EMG sensöründen oluşmaktadır. Özel EMG kayıt yazılımı oluşturmak için ticari olarak temin edilebilen bir Uygulama Programlama Arayüzü (API) kullanıldı. VR sistem donanımı, sürükleyici VR ortamını görüntülemek için kullanılan bir sanal gerçeklik başlığından ve başlığı sanal değerlendirme görevinin depolandığı özel bilgisayara bağlamak için bir kablodan oluşur...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Armless Chair	N/A		A chair for subjects to sit in should be armless so that their arms are not interfered with.
Computer	Dell Technologies		Three computers were used to accompany the data acquisition equipment.
Leap Motion Controller	Ultraleap		Optical hand tracking module that captures the hand and finger movement. The controller has two 640 x 240-pixel near-infrared cameras (120 Hz), which are capable of tracking movement up to 60 cm from the device and in a 140 x 120° field of view. This device was attached to the VR headset or secured above the head during movement.
MATLAB	MathWorks, Inc.		Programming platform used to develop custom data acquisition software
Oculus Quest 2	Meta		Immersive virtual reality headset equipped with hand tracking ability through 4 infrared build-in cameras (72-120 Hz). Can be substituted with other similar devices (ex. HTC Vive, HP Reverb, Playstation VR).
Oculus Quest 2 Link cable	Meta		Used to connect the headset to the computer where the VR game was stored
PhaseSpace Motion Capture	PhaseSpace, Inc.		Markered motion capture system, consisting of a server, cameras with 60° field of view, red light emitting diode (LED) as markers, and a calibration object
Trigno Wireless System	Delsys, Inc.		By Delsys Inc., includes EMG, accelerometer, force sensors, a base station, and collection software. The Trigno-MATLAB Application Programming Interface (API) was used to develop custom recording software.
UnReal Engine 4	Epic Games		Software used to create and run the modified Box and Block Task in VR