Ett objektivt mått på muskel funktioner är utmanande särskilt hos barn. Baserat på en kommersiellt tillgängliga digitala 3D-sensor, har en barnvänlig gaming test utvecklats för att bedöma övre extremiteterna funktion för kliniska prövningar.
Progressiv och oåterkalleliga muskelatrofi karakteriserar Spinal muskelatrofi (SMA) och andra liknande sjukdom muskelsjukdomar. Objektiv bedömning av muskel funktioner är en eterisk och viktigt, även om utmanande, förutsättning för framgångsrika kliniska prövningar. Aktuella kliniska skattningsskalor hindra rörelse avvikelser vissa fördefinierade grovkorniga enskilda poster. Kinect-3D-sensorn har vuxit fram som en billig och portabel motion sensing teknik används för att fånga och spår människors rörlighet i många medicinska och forskningsområden. En ny metod med denna 3D-sensor har utvecklats och ett spel-liknande test var utformad för att objektivt mäta patienter med SMA övre extremiteterna funktion. På prototypen prov riktade gemensam rörelse förmåga. När du sitter i en virtuell scen, var patienten instrueras att utöka, flex och lyft hela armen för att nå och placera vissa objekt. Både kinematisk och spatiotemporal egenskaper övre extremiteterna rörlighet var extraheras och analyseras, t.ex., armbåge extension och flexion vinklar, hand hastighet och acceleration. Den första studien omfattade en liten kohort av 18 ambulanta SMA patienter och 19 och kön-åldersmatchade friska kontroller. En omfattande analys av armrörelse uppnåddes; dock fanns ingen signifikant skillnad mellan grupperna på grund av obalansen av patientens kapacitet och test svårigheten. Baserat på denna erfarenhet, en andra version av testet som består av en modifierad version av det första spelet med ökade svårigheter och en andra spel inriktning muskel uthållighet var utformad och genomförs. Det nya testet har inte utförts några patientgrupper ännu. Vårt arbete har visat den potentiella förmågan av 3D-sensor vid bedömningen av sådana muskelfunktion och föreslog en objektiv metod för att komplettera de kliniska skattningsskalorna.
Övergripande bedömning av muskelfunktion är en kritisk utvärdering i många neuromuskulära sjukdomar och en viktig förutsättning för framgångsrika kliniska prövningar. Kliniska skattningsskalor används alltmer som ett standardiserat bedömningsinstrument och som en väletablerad resultat åtgärd1. Men de är starkt beroende av subjektiv bedömning av klinikerna och kan resultera i betydande variationer leder till inter – och intra-rater inkonsekvens2 eller genererat nummer som inte uppfyller kriterierna för exakta mätningar1. Dessutom många neuromuskulära sjukdomar till stor del påverkar barn och de flesta av dessa skattningsskalor är långa och tråkiga, som ålägga extra utmaningar. Ett exempel på en neuromuskulär sjukdom är Spinal muskelatrofi (SMA), vilket är en dödlig neuromuskulär sjukdom kännetecknas av progressiv muskel svaghet3. Beroende på de kliniska fenotyperna, vissa patienter lever med rullstolar (typ 2), och några kan stå och gå utan hjälpmedel (typ 3)4. Det finns en ökande efterfrågan på ett mer känsliga och objektiva bedömningsverktyg att mäta muskelfunktion när det gäller gemensam rörelse sortiment, muskelstyrka, muskeltrötthet och så vidare, för att spåra sjukdomsprogression och läkemedlet effekt.
De snabba framsteg i motion sensing teknik har gjort det möjligt att analysera rörelsen egenskaper på jämförelsevis låga kostnader, bland vilka värdet av 3D-sensorn (Kinect) i fånga hela kroppen rörelse på en markör-fri sätt allmänt har undersökts. Med hjälp av den integrera infraröda sensorn och de genomförda algoritmer för maskininlärning, är kroppen platserna för de spåra personerna slutsatsen genom 20 anatomiska landmärken kallas kroppens leder eller punkter, inklusive huvud, nacke, 3-dimensionell ståndpunkter händer, handleder, armbågar, axlar, ryggrad, höfter, knän, vrister och fötter5. Den temporal upplösningen är upp till 30 Hz, vilket är tillräckligt för de flesta fysiska rörelse med undantag av vissa patologiska motoriska symtom såsom skakningar. 3D-sensorn rumsliga noggrannhet har validerats i stor utsträckning med de mark sanningen6 eller gold standard, som är en markör-baserade 3-dimensionell rörelse analys system7,8,9,10 ,11,12. Bra samtidig validitet och reproducerbarhet har avslöjats av olika tester, särskilt från frontal Visa12 och för brutto rörelser7. För att objektivt bedöma den övre extremiteten funktionen för barn med SMA, vi utformat och genomfört ett spel-liknande test baserat på en 3D-sensor för att mäta förmågan att gemensam rörelse.
Föreslagna Kinect-baserat bedömningen förutsatt ett objektivt och omfattande rörelse analys samtidigt som den ger en barnvänlig, billig och portabel lösning med avseende på traditionella kliniska skattningsskalor eller sofistikerade markör-baserade video system. Flera organ punkter undersöktes intensivt samtidigt med en gaming-test som varade mindre än 5 minuter, och många spatiotemporal och kinematisk egenskaper analyseras med hög noggrannhet inklusive hastighet, gemensamma vinklar och så vidare. Hela set-up och utbildningsinsatser var också mycket mindre krävande jämfört med skattningsskalor eller videosystem.
Det mest kritiska steget i denna strategi var testdesign. För att fånga de underliggande rörelse symtom, bör designade uppgiften omfatta motsvarande kapacitet spektrumet och undvika golv eller tak effekter. I exemplet med denna specifika indikation är de vanligaste fysiska symtomen av SMA muskelsvaghet, begränsat gemensamma utbud, muskelstelhet, trötthet och så vidare. Det föreslagna testet är lämpligt för dessa symtom som omfattar begränsade gemensamma spänna, som var typisk för SMA typ 2 patienter. Prototypen testades tyvärr bara som ett första försök i en planerad studie som rekryteras bara SMA typ 3-patienter. Eftersom kapaciteten hos dessa patienter var högre än vad det nuvarande testet kunde mäta (tak effekt), önskat resultat inte kan uppnås. För denna ambulanta patientgrupp, skulle muskel trötthet och kroppen överföring vara ett bättre mått.
Baserat på denna erfarenhet, en andra version av testet som består av en modifierad version av ”garderob” spelet och en ytterligare ”båt-rodd” spelet utformades. Den modifierade versionen av ”garderob” spelet har tre svårighetsgrader. I den första nivån placeras objekt nära kroppen så att ämnet inte behöver dra ut armen, vars mål är den svag patientgrupp, som bara kan sitta i rullstolen och inte fullt förlänga armarna utan stöd. I den andra nivån placeras objekt på ett avstånd av hela armen längd, som riktar sig till den patientgrupp som kan lyfta och förlänga armarna utan stöd. Den svåraste nivån placeras objekten något ur intervallet arm; ämnet måste därför flytta övre stammen som en förlängning. Den tredje nivån ger gruppen Ambulanta patienter där den axiella och proximala rörligheten mäts också. Under positionering fasen av spelet, armlängd i ämnet automatiskt mäts och sedan används för att beräkna placeringen av objekt i följande spel; Därför justeras svårighetsgrader automatiskt till individens förmåga. När kapacitet gränsen varje individs nås och objekt kan inte nås eller placeras, nivån kommer att hoppas över antingen automatiskt efter en viss tid, eller manuellt av operatören genom att trycka på knappen ”SKIP” på skärmen. ”Båt-rodd” spelet mål muskel uthållighet och det kräver ämnet för att upprepa en arm som rullande rörelse så snabbt som möjligt i 1 minut. I en framtida studie, är den andra versionen avsett att täcka patientens spektrumet från SMA typ 2 till typ 3, eftersom uppgifterna mäta kapaciteten hos patienter med begränsad arm rörelse förmåga att patienter med full arm funktion och begränsad axiell rörelse.
Den andra sidan av testdesign är övervägande av golvet effekten. På grund av den begränsade rumsliga och temporal upplösningen är 3D-sensorn bara kan fånga exakt brutto rörelser som promenader, arm viftande och så vidare. För fin rörelse krävs detektering, inklusive figur knacka eller hand svarvning, känsligare digitala enheter som mobiltelefoner eller handled wearables. Som diskuterats, är nyckeln för att lyckas med sådan ansökan att bygga upp rätt matchen mellan underliggande sjukdomssymtom, enhetsfunktioner och designade uppgift.
Några andra överväganden under testet designen inkluderar åldersgrupp, lärande effekt, språk och så vidare. Eftersom SMA drabbar främst barn, bör testet vara lika enkel och tydlig som möjligt samtidigt som en attraktiv gamification drag. I vår design användes tecknade figurer och handritade objekt. Uppgiften imiterade själv omklädningsrum beteendet som förvärvas vanligtvis av barn efter två eller tre år. Rörelser hölls enkel sådan att försökspersoner kunde förstå och genomföra testet efter en kort utbildning fas och läroeffekter undveks, som var mätt och diskuterade i vårt föregående publikation13.
När du utför testprotokollet och dataanalys, kan vissa problem uppstå på samma sätt till andra 3D-sensor program. Dessa problem inkluderar sunshine störningar, speciella kläder, mer än ett ämne i synfältet och oregelbundna provtagningstider. Vi hittade ett fall där ett ämne i svarta kläder inte upptäcktes av 3D-sensorn i ett soligt rum, även när motivet inte var direkt i solskenet. När mer än ett ämne visas och försvinner från synfältet, tilldelning av ID-nummer som detekteras skelett kan hoppa, vilka bördor analysen. Även om 3D-sensorn utgångar signalen på frekvensen 30 Hz i teorin, de faktiska resultaten kan ha luckor upp till hundra ms. därför, är det viktigt att spåra och exportera tidsstämpeln.
Vårt första test utfördes på den första versionen av 3D-sensorn, som för närvarande har ersatts av en andra version, och vår modifierade version genomförs baserat på denna andra version. De underliggande drivkrafterna är olika mellan versioner, och även application interface (API) har ändrats. Det finns inga andra signifikanta skillnader när du migrerar ansökan. Eftersom båda programversioner kan tillhandahållas fritt på begäran av författarna och sensor drivrutiner kan hämtas från webbplatsen för Kinect, är detta ingen oro för användaren.
Med hjälp av 3D-sensor, utvecklat vi en innovativ, kvantitativ och objektiv övre extremiteterna funktion Bedömningsverktyget införliva barnvänliga spel-liknande teknik. Möjligheten var utforskade och analyserade. Vårt arbete visat den potentiella kraften av 3D-sensor som ett alternativ och komplement till rörelse bedömning.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Bastian Strahm för att delta i testet demonstration och Laura Aguiar för korrekturläsning Detta manuskript.
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 |