Dette papir skitserer vurderingen af spædbørns grovmotoriske ydeevne med en multisensor bærbar og dens fuldautomatiske deep learning-baserede analysepipeline. Metoden kvantificerer spædbørns kropsholdning og bevægelsesmønstre fra at ligge liggende til de mestrer at gå uafhængigt.
Udvikling af objektive og kvantitative metoder til tidlig grovmotorisk vurdering er afgørende for bedre at forstå neuroudvikling og støtte tidlige terapeutiske interventioner. Her præsenterer vi en metode til at kvantificere grovmotorisk ydeevne ved hjælp af en multisensor bærbar, MAIJU (Motility Assessment of Infants with a JUmpsuit), som tilbyder en automatiseret, skalerbar, kvantitativ og objektiv vurdering ved hjælp af en fuldautomatisk skybaseret pipeline. Denne bærbare dragt er udstyret med fire bevægelsessensorer, der registrerer synkroniserede data til en mobiltelefon ved hjælp af en lavenergi Bluetooth-forbindelse. En offlineanalyse på cloud-serveren genererer fuldt analyserede resultater inden for få minutter for hver optagelse. Disse resultater inkluderer en grafisk rapport over optagelsessessionen og en detaljeret resultatmatrix, der giver klassifikationer sekund for sekund for kropsholdning, bevægelse, spædbørnstransport og fri legetid. Vores seneste resultater viser fordelen ved en sådan kvantificeret motorisk vurdering, der giver en potentielt effektiv metode til at skelne variationer i spædbarnets grovmotoriske udvikling.
Tidlig grovmotorisk udvikling er afgørende for neurokognitiv ydeevne på højere niveau, der opstår senere ved at støtte spædbørns udforskning af miljøet. Derfor har både klinikere og forskere stor interesse i at vurdere den tidlige bruttomotoriske udvikling 1,2,3. For at yde støtte til evidensbaseret medicin eller videnskabelige undersøgelser er det vigtigt, at de grovmotoriske vurderinger er kvantitative, pålidelige, objektive og økologisk gyldige. Der er imidlertid mangel på sådanne metoder til rådighed for enten klinisk eller grundvidenskabelig forskning.
En typisk tidlig grovmotorisk udvikling skrider frem gennem en forudsigelig sekvens af nyerhvervede færdigheder. De observeres almindeligvis hos spædbørn som at nå diskrete motoriske milepæle4, hvor stående og gående ofte betragtes som vigtige vartegn på vej til mere komplekst adfærdsrepertoire5. Ud over direkte observation eller forældreundersøgelser om motoriske milepæle er der udviklet flere udbredte standardiserede batterier 6,7,8,9 til udførelse af spædbørns vurderinger i laboratorie- eller hospitalsmiljøet. Disse vurderinger lider imidlertid af flere forbehold: de kræver betydelig ekspertise fra uddannede fagfolk, de er delvis subjektive og kategoriske, og de vurderer spædbørns præstationer i et miljø (hospital eller laboratorium), der er unaturligt fra et spædbarns perspektiv.
Registrering af spædbørns spontane motoriske aktivitet over længere tid i det oprindelige miljø, såsom deres hjem, muliggør mere relevante målinger af motoriske evner. I en sådan gennemførlig metode udføres vurderingen for den fulde sekvens af spædbarnets motoriske evneudvikling fra liggende liggende til at gå flydende med et bærbart system, såsom MAIJU wearable (Motor Assessment of the Infants with a JUmpsuit)10,11,12. MAIJU wearable-systemet (figur 1) involverer en helkropstekstilbeklædning udstyret med bevægelsessensorer for at muliggøre uovervågede vurderinger og optagelser uden for hospitalet / laboratoriet, der analyseres med en automatiseret pipeline, hvilket giver en sekund-for-sekund vurdering af kropsholdning og bevægelsesmønstre. Disse algoritmiske detektioner kan bruges til hver kropsholdning og bevægelsestype separat, eller de kan kombineres til en holistisk vurdering af modningsniveauet af spædbarnets motoriske evner. Et nyligt offentliggjort, enhedsfrit udtryk for en sådan måling af motorisk modenhed er BIMS (Baba Infant Motor Score)10,12.
Denne artikel vil beskrive vurderingen af spædbørns grovmotoriske ydeevne ved hjælp af en multisensor bærbar dragt; begrundelsen, praktisk ydeevne, analysepipeline og potentielle fremtidsperspektiver for brug af de målinger, der kan opnås fra den automatiserede analysepipeline, der er tilgængelig for optagelser med en multisensor bærbar 10,11,12. Metoden er velegnet til en detaljeret kvantificering af spontan grovmotorisk aktivitet hos alle spædbørn, der udviser motoriske evner mellem liggende liggende og flydende gang.
Multisensorens bærbare system består af tre komponenter: 1) hele kroppen samlet beklædningsgenstand udstyret med fire bevægelsessensorer, 2) en mobilenhed ved hjælp af en specialbygget iOS-applikation og 3) en skybaseret analysepipeline (Babacloud, hvis legitimationsoplysninger kan fås fra forfatterne)11. De vandtætte IMU-sensorer (Inertial Measurement Unit) streamer synkroniserede data (3-akset accelerometer og gyroskop) ved 13-52 Hz samplingfrekvens til en mobiltelefon ved hjælp af en Bluetooth-forbindelse med lavt energiforbrug. Dataene gemmes oprindeligt i hukommelsen på (sensoren eller) mobilenheden, efterfulgt af en offline analyse på cloud-serveren, efter at optagelsen er stoppet.
En kvantificeret vurdering og udviklingssporing af spædbørns motoriske ydeevne med en bærbar løsning, såsom MAIJU, er teknisk enkel at lære og udføre, og den kan let implementeres i sundhedspleje eller klinisk forskningspraksis 10,11,12. Sammenlignet med de øvrige eksisterende motoriske vurderingsmetoder forbedrer denne form for hjemmeregistrering af spædbørns spontanmotoriske aktivitet vurderingens økologiske validitet. Desuden giver den en kvantificeret, gennemsigtig og fuldautomatisk analyse af spædbørns motoriske ydeevne. Vigtigst er det, at de målinger, der anvendes i analysen, er intuitive og forklarlige, hvilket gør det nemt at sammenligne dem med andre kliniske og forskningsmæssige vurderinger, såsom miljøfaktorer, kognitiv udvikling eller psykosociale vurderinger. En holistisk vurdering af motorisk udvikling giver en nøjagtighed, der kan sammenlignes godt med de konventionelle fysiske vækstmål12.
Kritiske trin i protokollen inkluderer omhyggelig forberedelse af den bærbare dragt. Når du forbereder dig til en optagelse, er det afgørende at vælge den rigtige størrelse til dragten, da sensorfastgørelserne i ærmerne og benene skal sidde tæt for at opnå en pålidelig registrering af kropsbevægelser. For en vellykket optagelse er det også vigtigt at placere sensorerne i lommerne med en korrekt orientering som angivet i protokollen. Sensorbeslagene tillader ikke sensorer at rotere under optagelsen. Den forkert orienterede sensor registrerer imidlertid data, der er vanskelige, hvis ikke umulige, at rette bagefter. Spædbarnet bør opfordres til at bevæge sig frit og uafhængigt under optagelsen. Optagelseslængden kan variere afhængigt af de givne undersøgelsesspørgsmål. De mange spontane bevægelsesepoker kombineres for at akkumulere nok spontan bevægelse til hver optagelsessession.
Den fleksible og praktiske betjening af MAIJU bærbare løsning gør det muligt at bruge den i variable sammenhænge i både overvågede og uovervågede indstillinger, såsom forskningslaboratorier eller hjem. Nylige resultater fra vores kliniske forsøg viser, at fuldt uovervågede optagelser udført i hjemmet kan give sammenlignelige resultater med optagelser, der udføres under fuld eller delvis overvågning12. Alligevel påvirkes et barns spontane motoriske adfærd potentielt af flere faktorer, såsom omgivelserne (f.eks. Leg udenfor vs. indendørs, indretningen af rummet, møbler og legetøj), barnets niveau af årvågenhed og forældrenes involvering under hjemmeoptagelsen. Når optagelserne udføres i uovervågede omgivelser derhjemme, er det vigtigt at opmuntre barnet til at lege spontant, dvs. at lege eller bevæge sig uafhængigt, uden at en anden bærer eller holder barnet, hvis det ikke er nødvendigt, og at holde optagemobiltelefonen inden for Bluetooth-rækkevidde (i samme rum)10. Størstedelen af vores nuværende fejlfindingssituationer under optagelserne skyldes tab af Bluetooth-forbindelse. Fremskridt inden for sensorteknologi i nær fremtid vil forbedre Bluetooth-forbindelsen, og den kommende introduktion af en større sensorhukommelse vil muliggøre offlineoptagelse ved at gemme bevægelsesdata direkte i sensorhukommelsen.
Optagelser uden for hospitalet med en bærbar løsning af denne art er let skalerbare, og de kan forbedre spædbørns sikkerhed, f.eks. ved at muliggøre fjernovervågning under omstændigheder som en pandemi. Vores nuværende klassificeringsalgoritmer blev trænet til specifikt at genkende de givne motoriske evner, stillinger og bevægelser vist i bevægelsesbeskrivelsesskemaet (figur 2A). Disse fænomener blev identificeret som karakteristiske for spædbarnsbevægelse i de første to år af livet. Andre typer bevægelser eller stillinger, der ses hos ældre børn, såsom løb eller spring, vil kræve ændrede bevægelsesbeskrivelsesskemaer og respektive algoritmer, der skal trænes til at identificere dem. Kropsholdningskontekstafhængig analyse er en potentielt frugtbar tilgang, hvor et spædbarns motoriske aktivitet analyseres separat i forskellige stillinger for at understøtte undersøgelse, fx udviklingskorrelater af spædbarnsadfærd 5,6,7,8,9,13. Alternativt kan en kontekstafhængig bevægelsesanalyse også understøtte vurdering af asymmetri i motorisk funktion, når man forudsiger udviklingen af ensidig cerebral parese 10,12,14,15. Endvidere kan vurdering af motoriske evner med MAIJU-systemet kombineres med andre undersøgelsesmetoder, f.eks. øjensporing, billeddannelse eller videooptagelse, for at give multimodale data, der spænder over forskellige typer og sammenhænge. Multimodale data kan være nyttige, f.eks. til evaluering af virkningerne af social interaktion eller effekten af terapeutisk intervention.
For succesen med nye bærbare teknologier i overvågningsmiljøer uden for hospitalet med spædbørn skal visse begrænsninger, udfordringer og etiske bekymringer løses. Vores analysepipelines blev trænet og valideret ved hjælp af typisk udviklende spædbørn i Finland 10,11,12. De rå analyseresultater med rene stillinger og bevægelser skal være universelle. Deres udviklingsforløb kan dog kræve tilpasninger til forskellige kulturer og geografiske placeringer. Ifølge forældrenes feedback vedrørende bærbare enheder ses de positivt på grund af spædbarnsvenlighed16. Forældre kan dog rejse bekymringer vedrørende privatlivets fred, dataadgang og familiepraktiske forhold (f.eks. Flere omsorgspersoner, besøgende og varierende tidsplaner). Afhængighed af sensorernes batterilevetid og optagetelefonen kan betragtes som en begrænsning af metoden. Det er vores erfaring, at batterimodellen (CR2025) typisk holder hele dagen (12-24 timer), når du bruger kontinuerlig datastreaming. Det afhænger især af både batterimærket og styrken af den Bluetooth-forbindelse, der er nødvendig til trådløs dataoverførsel, som løbende ændrer sig for at maksimere dataoverførslen i optagelsesmiljøet. For eksempel vil en lang afstand mellem spædbarnet og telefonen eller en væg mellem dem justere Bluetooth-forbindelsen til betydeligt højere batteriforbrug. Især drænes batterierne på de fleste mobile enheder også inden for omtrent samme tid, hvis du bruger kontinuerlig Bluetooth-streaming. I praksis indebærer den nuværende kontinuerlige datastreaming via Bluetooth-forbindelse, at både sensorer og mobile enheder har brug for en daglig genopladning / batteriudskiftning. Den nærmeste fremtidige introduktion af sensorer med større hukommelseskapacitet vil tillade datalagring i sensorhukommelsen og understøtte over en uges kontinuerlig optagelse. Det vil fjerne behovet for strømforbrugende Bluetooth-streaming samt at bære telefonen inden for et Bluetooth-område, der kan opfattes som restriktivt i optagelsessituationer og er modtageligt for menneskelige fejl.
Samlet set kræver sporing af tidlig neuroudvikling metoder, der er følsomme over for naturlig neuroadfærdsmæssig variabilitet. Grovmotorisk udvikling er en indviklet proces, der består af variationer i rækkefølge og timing, både på individuelt og kulturelt niveau4. Påvisning af atypisk motorisk udvikling er effektiv til at genkende spædbørn i fare for en lang række neurodevelopmental lidelser. Traditionelle testbatterier med standardiserede neuroudviklingsvurderinger udføres i kontrollerede miljøer, såsom hospitaler, og er i det mindste delvist subjektive 7,8,9. Nuværende fremskridt inden for sensorteknologi og signalanalyse har muliggjort optagelser af spædbørns spontane motoriske evne over længere perioder uden for hospitalet og kvantificering af motorisk adfærd med en nøjagtighed, der kan sammenlignes med menneskelige observatører 10,11,12. Ny bærbar teknologi tilbyder automatiserede og skalerbare metoder til overvågning af bevægelse og effekten af terapeutisk intervention hos spædbørn på en økologisk gyldig og objektiv måde. Desuden muliggør det nye neuroudviklingsindeks Baba Infant Motor Score (BIMS) estimering af spædbørns modenhed af motoriske evner ved individuel sporing af neuroudvikling10,12. Det kan anvendes i en række fremtidige applikationer, såsom udvikling af spædbarnsmotoriske vækstdiagrammer12. Ved at træne de automatiserede klassifikatorer til andre specifikke motiliteter (f.eks. for ældre børn eller voksne) med forskellige former for bevægelsesbeskrivelsesskemaer og algoritmer har de bærbare bevægelsessensorer potentialet til kliniske anvendelser, såsom bevægelsesforstyrrelser eller opfølgning på virkningerne af terapeutiske indgreb uanset individets udviklingsstadium17. På nuværende tidspunkt bør dette imidlertid betragtes som en forsøgsmetode, der ikke bør anvendes til at informere kliniske diagnose- eller behandlingsmål.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af det finske akademi (314602, 335788, 335872, 332017, 343498), Finsk pædiatrisk fond (Lastentautien tutkimussäätiö), Aivosäätiö, Sigrid Juselius Foundation og HUS Children’s Hospital / HUS diagnostiske center forskningsmidler.
iOS device (version 16.5 or higher) | Apple | n/a | |
MAIJU jumpsuit | Planno Ltd | n/a | customized for purpose |
Maijulogger (mobile application) and sensor firmware | BABA Center (www.babacenter.fi), Kaasa solutions GmbH | n/a | constructed by Kaasa Solutions, distributed by Baba Center |
Movesense movement sensor | Movesense (www.movesense.com) | n/a |