Een objectieve maatstaf van spier functies is uitdagend vooral bij kinderen. Op basis van een commercieel beschikbare digitale 3D-sensor, werd een kindvriendelijke gaming test ontwikkeld voor de beoordeling van de bovenste extremiteit functie voor klinische proeven.
Geleidelijke en onomkeerbare spieratrofie kenmerkt spinale musculaire atrofie (SMA) en andere soortgelijke spier-stoornis ziektes. Objectieve beoordeling van spier functies is een essentieel en belangrijk, hoewel uitdagend, voorwaarde voor succesvolle klinische proeven. Huidige klinische beoordeling schalen beperken de beweging afwijkingen voor bepaalde vooraf gedefinieerde grofkorrelige afzonderlijke items. De Kinect 3D-sensor heeft ontpopt als een goedkope en draagbare motion sensing technologie gebruikt voor vastleggen en bijhouden voor Volksgeschiedenis beweging in vele medische en onderzoeksgebieden. Een nieuwe benadering met behulp van deze 3D-sensor is ontwikkeld en een game-achtige test was bedoeld om de functie van de bovenste extremiteit van patiënten met SMA objectief te meten. De test prototype gerichte gezamenlijke beweging vermogen. Zittend in een virtuele scène, werd de patiënt gevraagd uit te breiden, flex, en opheffing van de hele arm om te bereiken en enkele objecten plaatsen. Zowel kinematische en Spatio kenmerken van bovenste extremiteit beweging werden geëxtraheerd en geanalyseerd, bijvoorbeeld, elleboog extensie en flexie hoeken, hand snelheid en versnelling. De eerste studie omvatte een kleine cohort van 18 ambulant SMA patiënten en 19 leeftijd – en gender-matched gezonde controles. Een uitgebreide analyse van de armbeweging werd bereikt; echter geen significant verschil tussen de groepen bleken als gevolg van de wanverhouding van de patiënt de mogelijkheid en de moeilijkheid van de test. Op basis van deze ervaring, een tweede versie van de test die bestaat uit een gemodificeerde versie van het eerste spel met grotere problemen en een tweede wedstrijd gericht op spier uithoudingsvermogen zijn ontworpen en uitgevoerd. De nieuwe test is niet uitgevoerd in alle patiëntengroepen nog. Ons werk heeft aangetoond dat de potentiële mogelijkheden van de 3D-sensor bij de beoordeling van dergelijke functie van de spier en stelde een objectieve aanpak ter aanvulling van de klinische beoordeling schalen.
Veelomvattende beoordeling gegeven van de functie van de spier is een kritische evaluatie in veel neuromusculaire ziekten en een belangrijke voorwaarde voor succesvolle klinische proeven. Klinische beoordeling schalen steeds meer als een gestandaardiseerde evaluatie-instrument worden gebruikt en als een gevestigde resultaat maatregel1. Echter ze sterk afhankelijk zijn van het subjectieve oordeel van de clinici en kunnen resulteren in aanzienlijke variaties leiden tot inter – en intra-rater inconsistentie2 of getallen die niet voldoen aan de criteria voor nauwkeurige metingen1gegenereerd. Daarnaast veel neuromusculaire ziekten zijn grotendeels van invloed op kinderen en de meeste van deze beoordeling schalen zijn lang en saai, die extra uitdagingen opleggen. Een voorbeeld van een neuromusculaire ziekte is spinale musculaire atrofie (SMA), die een dodelijke, neuromusculaire ziekte gekenmerkt door progressieve spier zwakte3 is. Afhankelijk van de klinische fenotypen, sommige patiënten leven met rolstoelen (type 2), en sommige kunt staan en lopen blote (type 3)4. Er is een toenemende vraag naar een meer gevoelige en objectieve evaluatie-instrument voor het meten van de functie van de spier in termen van gezamenlijke beweging bereik, spierkracht, spiervermoeidheid en zo verder, progressie van de ziekte en de werkzaamheid van de drug wilt bijhouden.
De snelle vooruitgang in motion sensing technologie heeft het mogelijk gemaakt te analyseren van de kenmerken van de beweging tegen relatief lage kosten, waaronder de waarde van de 3D-sensor (Kinect) in het gehele lichaam beweging vastleggen in een marker-vrije manier grote schaal is onderzocht. Met behulp van de geïntegreerde infrarood sensor en de uitgevoerde machine leren van algoritmes, zijn de locaties van het lichaam van de bijgehouden personen afgeleid door de 3-dimensionale standpunten van 20 anatomische bezienswaardigheden lichaam gewrichten of punten met inbegrip van hoofd, nek, genoemd handen, polsen, ellebogen, schouders, rug, heupen, knieën, enkels en voeten5. De temporele resolutie is tot 30 Hz, dat is voldoende voor meest fysieke beweging met uitzondering van enkele pathologische motor symptomen zoals tremoren. De ruimtelijke nauwkeurigheid van de 3D-sensor is uitgebreid gevalideerd met de grond waarheid6 of de gouden standaard, die een 3-dimensionale motion marker gebaseerde analyse systeem7,8,9,10 is ,11,12. Goede gelijktijdige geldigheid en reproduceerbaarheid zijn geopenbaard door verschillende tests, met name vanuit de frontale bekijken12 en voor bruto bewegingen7. Om te beoordelen objectief de bovenste ledematen-functie voor kinderen met SMA, we ontworpen en geïmplementeerd een game-achtige test gebaseerd op een 3D-sensor voor het meten van het vermogen van gezamenlijke beweging.
De voorgestelde Kinect gebaseerde beoordeling verstrekte objectieve en uitgebreide bewegingsanalyse terwijl het verstrekken van een kindvriendelijke, lage kosten en draagbare oplossing met betrekking tot de traditionele klinische beoordeling schalen of geavanceerde marker gebaseerde video systemen. Meerdere punten van het lichaam werden intensief onderzocht op hetzelfde moment met een gaming-test die minder dan 5 minuten duurde, en vele Spatio en kinematische eigenschappen werden geanalyseerd met hoge nauwkeurigheid en snelheid, gezamenlijke hoeken, enzovoort. De hele set-up en de opleidingsinspanningen werden ook veel minder veeleisend in vergelijking met de rating scales of video systemen.
De meest kritische stap in deze benadering was de opzet van de test. Om te vangen de onderliggende verkeer symptomen, moet de ontworpen taak het bijbehorende vermogen spectrum bestrijken en Vermijd vloer of plafond effecten. In het voorbeeld van deze specifieke indicatie zijn de gemeenschappelijke fysieke symptomen van SMA spierzwakte, beperkte gezamenlijke bereik, spierstijfheid, vermoeidheid, enzovoort. De voorgestelde proef is geschikt voor deze symptomen waarbij het beperkte gezamenlijke bereik, die typisch voor SMA type 2 patiënten was. Het prototype werd helaas, slechts als een eerste poging in een geplande studie die alleen SMA type 3 patiënten aangeworven getest. Omdat het vermogen van deze patiënten waren boven wat de huidige test kon meten (plafond effect), kon niet de gewenste resultaten worden bereikt. Voor deze ambulante patiënten groep zou spier vermoeidheid en lichaam overdracht een betere maatstaf.
Op basis van deze ervaring, een tweede versie van de test die bestaat uit een gemodificeerde versie van de “Wardrobe”-spel en een extra “Boot-roeien” spel werden ontworpen. De gewijzigde versie van de “Wardrobe”-spel heeft drie moeilijkheidsniveaus. In het eerste niveau, worden de objecten geplaatst in de buurt van het lichaam, zodat het onderwerp niet hoeft volledig tot de arm, welke doelstellingen de zwakke patiënten groep, die alleen kan zitten in de rolstoel en kan niet volledig uit te hun armen zonder ondersteuning breiden. In het tweede niveau, worden de objecten geplaatst op de afstand van de hele arm lengte, die gericht is op de patiënt groep die kan heffen en de armen zonder enige steun uit te breiden. In het moeilijkste niveau, zijn de objecten geplaatst enigszins buiten het bereik van de arm; Daarom moet het onderwerp te verplaatsen van de bovenste romp als verlengstuk. Het derde niveau richt zich op de ambulante patiënten groep waar de axiale en proximale beweging wordt ook gemeten. Tijdens de plaatsing fase van het spel, de lengte van de arm van het onderwerp automatisch gemeten en vervolgens gebruikt voor het berekenen van de locaties van de objecten in de volgende wedstrijd; Daarom zijn de moeilijkheidsniveaus automatisch aangepast aan het individuele vermogen. Wanneer de limiet van de mogelijkheden van elk individu wordt bereikt en de objecten niet kunnen worden bereikt of kan worden geplaatst, zal het niveau worden overgeslagen of automatisch na een bepaalde tijd, of handmatig door de exploitant door te drukken op de knop “Overslaan” op het scherm. De “Boot-roeien” spel doelen spier-uithoudingsvermogen en het vereist het onderwerp te herhalen een arm beweging zo snel mogelijk rollen gedurende 1 minuut. In een toekomstige studie, is de tweede versie bestemd ter dekking van de patiënt spectrum van SMA type 2 type 3, omdat de taken het meten van het vermogen van patiënten met beperkte arm beweging mogelijkheid om patiënten met volledige arm functie en beperkte axiale beweging.
De andere kant van de opzet van de test is de overweging van het effect van de vloer. Als gevolg van de beperkte ruimtelijke en temporele resolutie is alleen de 3-D sensor kunnen vangen nauwkeurig bruto bewegingen als lopen, arm zwaaien, enzovoort. Voor fijne beweging zijn detectie, met inbegrip van de figuur te onttrekken of hand draaien, gevoeliger digitale apparaten zoals mobiele telefoons of pols wearables vereist. Zoals besproken, is de sleutel voor het welslagen van een dergelijke toepassing te bouwen tot de juiste match tussen onderliggende ziekte symptomen, apparaat mogelijkheden en ontworpen taak.
Enkele andere overwegingen bij het ontwerp van de test zijn leeftijdsgroep, leereffect, talen, enzovoort. Sinds SMA vooral kinderen treft, moet de test zo eenvoudig en duidelijk mogelijk met behoud van een aantrekkelijk gamification karaktertrek. In ons ontwerp, werden cartoon figuren en objecten handgetekende gebruikt. De taak geïmiteerd het zelf dressing gedrag die meestal door kinderen na twee of drie jaar oud verkregen wordt. De bewegingen waren eenvoudig gehouden zodat onderwerpen kunnen begrijpen en uitvoeren van de test na een korte opleiding-fase en leren-effecten zijn vermeden, die werd gemeten en besproken in onze vorige publicatie13.
Bij het uitvoeren van de test-protocol en de data-analyse, sommige kunnen zich problemen voordoen ook voor andere toepassingen van 3D-sensor. Deze kwesties omvatten sunshine inmenging, speciale kleren, meer dan één onderwerp in het gezichtsveld en onregelmatige bemonsteringstijdstippen. We vonden een zaak waar een onderwerp in zwarte kleding niet is herkend door de 3D-sensor in een zonnige kamer, zelfs wanneer het onderwerp niet direct in de zon was. Wanneer meer dan één onderwerp verschijnt en verdwijnt uit het gezichtsveld, de toewijzing van id-nummers om gevonden skeletten kan springen, welke lasten de analyse. Hoewel de 3-D sensor het signaal op de frequentie van 30 Hz in theorie output, de werkelijke output wellicht lacunes van maximaal honderd ms. Daarom, is het belangrijk om te volgen en het exporteren van het tijdstempel.
Onze eerste test werd uitgevoerd op de eerste versie van de 3D-sensor, die momenteel is vervangen door een tweede versie, en onze gewijzigde versie wordt uitgevoerd op basis van deze tweede versie. Tussen versies, de onderliggende stuurprogramma’s zijn verschillend, en ook de API (application interface) is veranderd. Er zijn geen andere belangrijke verschillen bij het migreren van de toepassing. Aangezien beide toepassingsversies kunnen vrij op verzoek worden verstrekt door de auteurs en de bestuurders van de sensor kunnen worden gedownload van de website van de Kinect, is dit geen probleem voor de gebruiker.
Met behulp van de 3D-sensor, ontwikkeld we een innovatieve, kwantitatieve en objectieve bovenste extremiteit functie assessment tool waarin kinderen-vriendelijke spel-achtige technologie. De haalbaarheid onderzocht en geanalyseerd. Ons werk aangetoond de potentiële kracht van 3D-sensor als een alternatieve en complementaire aanpak verkeer beoordeling.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken Bastian Strahm voor die deelnemen aan de demonstratie van de test en Laura Aguiar voor herlezing van dit manuscript.
Microsoft Kinect for Windows v1 sensor | Microsoft | N/A | The first version of the test was developed on Kinect sensor v1 which is not sold any more. But the second version was developed on the Kinect sensor v2 which can be tested in a similar way by using Microsoft Kinect for Windows v2 sensor (GT3-00003) together with Microsoft Kinect Adapter (9J7-00009) |
DELL XPS 2720 All-In-One PC with windows 8 operating system, 16G RAM, Intel Core i7 and 64-bits | DELL | N/A | In our setup, a All-in-one computer was used, but in fact any laptop or computer which fullfills the following requirements and a big screen for the subjects to see will work: windows 8 or higher operating system; 64-bit processor; dual-core 3.2 GHz or faster processor; dedicated USB 3.0 bus; 2 GB RAM |