Summary
באמצעות מכשיר isokinetic רובוטית עם מדידות אלקטרומגרפיה (EMG), פרוטוקול זה ממחיש כי התנועה isokinetic עצמה יכולה לשפר את האמינות הבין-ממדי לזווית של לתפוס מדידות בחולי שבץ עם מרפק מתון כופף המרפק.
Abstract
הספסטיות מדידה חשוב בתכנון הטיפול וקביעת היעילות לאחר הטיפול. עם זאת, הכלי הנוכחי המשמש בהגדרות הקליניות הוכח להיות מוגבל באמינות בין-מייטר. גורם אחד באמינות הבין-לקויה המסכן הזה הוא ההשתנות של תנועה פסיבית תוך כדי מדידת זווית לתפוס (AoC) מדידות. לכן, מכשיר isokinetic הוצע לתקנן את התנועה המשותפת הידנית; עם זאת, היתרונות של isokinetic motion עבור מדידות AoC לא נבדקו בצורה סטנדרטית. פרוטוקול זה חוקר אם isokinetic motion עצמה יכולה לשפר את האמינות הבין-ממדי של מדידות AoC. לצורך זה, מכשיר isokinetic רובוטי פותחה כי הוא משולב עם משטח אלקטרומגרפיה (EMG). שני תנאים, תנועות ידניות ו isokinetic, מושווים עם שיטה סטנדרטית כדי למדוד את הזווית ואת התחושה הסובייקטיבית של לתפוס. מראים כי ב 17 חולים שבץ עם מרפק מתון ספסטיות כופף המרפק, isokinetic motion שיפור מקדם מתאם תאיים (ICC) עבור אמינות אינטר-rater מדידות AoC כדי 0.890 [95% מרווח ביטחון (CI): 0.685 – 0.961] על ידי EMG קריטריונים, ו 0.931 (95% CI: 0.791 – 0.978) על ידי קריטריון מומנט, מ 0.788 (95% CI: 0.493 – 0.920) באמצעות תנועה ידנית. לסיכום, isokinetic motion עצמה יכולה לשפר את האמינות הבין-ממדי של מדידות AoC בחולי שבץ עם ספסטיות קל. בהינתן כי מערכת זו עשויה לספק מדידות זווית מתוקננת יותר ולתפוס תחושה, זה יכול להיות אופציה טובה להערכת הספסטיות בסביבה קלינית.
Introduction
ספסטיות לאחר שבץ נפוץ הוכח לגרום לסיבוכים, כולל כאב הקונסטרים, וכתוצאה מכך איכות חיים מופחתת1,2,3. מדידת הספסטיות חשוב כדי לתכנן כראוי את מהלך הטיפול ולקבוע את היעילות של הטיפול. כלים המשמשים בדרך כלל בהגדרה הקלינית הם בקנה מידה שונה (MAS)4, שהיא מערכת מדידה נומינלית לעמידות לתנועה פסיבית, ואת קנה המידה המתוקן TARDIEU (MTS), אשר מודד את זווית התפיסה (aoc), המייצג את תלוי מהירות מאפיין של ספסטיות5. עם זאת, כלי מדידה אלה הוכחו כוללים אמינות מוגבלת בין התאים6,7, המחייב את אותו דרג לבצע בדיקות אלה כדי לשמור על אמינות מספקת8.
שלושה גורמים הוכחו לגרום לשינויים ב AoC במהלך מדידה MTS, כולל (1) שגיאות ממדידות זווית על ידי goniometry; (2) השונות של העברת פרופיל משותף באופן ידני בין מרצרים; ו (3) ההבדלים בחישה את המלכוד בין וחנים9. מכשיר isokinetic הרומן רובוטית עם חיישנים מומנט מוצג בפרוטוקול זה. התקן זה מוחל על חולי שבץ עם כופף המרפק מתון באמצעות אלקטרומגנט המשטח (EMG) מדידות10. היה זה שיערו כי התקינה של תנועה משותפת המרפק תשפר אמינות בין מדדים עבור מדידות AoC מתקבל על ידי רפלקס למתוח כופף המרפק. כדי להוכיח את זה, את האמינות של AoC כפי שנמדד על ידי משטח EMG היה מחושב ולעומת בין isokinetic פסיבי וידני מרפק הרחבה המרפק, באמצעות מכשיר זה מפותח רובוטית ו EMG. איור 1 מציג סקירה של ההליך הניסיוני כולו. בפירוט, השלב מדידה MTS נערך על ידי שני מרצרים, ואת הסדר של ניסויים (ידני vs. isokinetic motion) ואת סדר של מרטירים נקבע באופן אקראי, אשר דרש כ 50 דקות עבור כל נושא (איור 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הגדרת ניסיוני
- גיוס מטופלים
הערה: כל ההליכים נבדקו ואושרו על ידי האוניברסיטה הלאומית של סאול Bundang החולים המועצה לסקירה מוסדית. הנושאים האלה היו מטופלים או חולים עם אבחנות שבץ מארבע בתי חולים שיקומי באזור.- בצע את תהליך ההקרנה באמצעות קריטריוני ההכללה הבאים: (1) מקצה הגפיים העליון עקב קו; (2) מעל גיל 20 שנה; (3) מרפק מתון ספסטיות מפרקים של MAS 1-2; (4) אין מחלה קודמת המשפיעה על תפקוד הזרוע המיפרטית, למעט שבץ; (5) חינם מחוסר יציבות הומודינמיות; (6) ללא חוזה מרפק חמור; (7) האפשרות עבור הכתף להיות נחטף 90 ° ואת הזרוע להיות במצב נייטרלי ללא כל כאב משותף; ו (8) קוגניטיבי נורמלי, שפה, ויזואומרחבית, או יכולת תשומת לב לעקוב אחר הליכים ניסיוניים.
הערה: הקריטריונים נועדו למסך חולים המסוגלים להשתתף בניסוי ולהסדיר גורמים המשפיעים על התוצאות. - לגייס נושאים המסופקים עם הסבר מפורט של המחקר כולו ובעיות קליניות צפויות. יש לקבל הסכמה לפני הכללה.
- דמוגרפיה ומאפייני בסיס של הנושאים מגויס מוצגים בטבלה 1.
- בצע את תהליך ההקרנה באמצעות קריטריוני ההכללה הבאים: (1) מקצה הגפיים העליון עקב קו; (2) מעל גיל 20 שנה; (3) מרפק מתון ספסטיות מפרקים של MAS 1-2; (4) אין מחלה קודמת המשפיעה על תפקוד הזרוע המיפרטית, למעט שבץ; (5) חינם מחוסר יציבות הומודינמיות; (6) ללא חוזה מרפק חמור; (7) האפשרות עבור הכתף להיות נחטף 90 ° ואת הזרוע להיות במצב נייטרלי ללא כל כאב משותף; ו (8) קוגניטיבי נורמלי, שפה, ויזואומרחבית, או יכולת תשומת לב לעקוב אחר הליכים ניסיוניים.
- מערכת ניסויית
הערה: מכשיר רובוטי מותאם אישית משמש להפקת תנועה סטנדרטית ולמדידת הנתונים הכמותיים בו זמנית. המערכת הרובוטית מורכבת מחלק רובוטי, מערכת בקרה ויחידות מידה. התצורה הכללית מוצגת באיור 2.- חלק רובוטי
- עבור החלק הרובוטי, השתמש ברובוט מישורי מדרגה אחת של חופש, המורכב ממנוע ומניאנידאם של זרוע, עם שלושה רכיבים נוספים להתאמת גובה הרובוט והתקנת המכשיר לשולחנות שונים. הקומפוזיציה הכוללת מוצגת באיור 2A.
- עבור מנימניקת האמה, להשתמש במפרק מרפק מחובר המנוע, מחוון ליניארי עם בלוק קיבעון להתאים את אורך הכולל שתי יחידות השרוול עבור תקבעת הזרוע והיד (כפי שמוצג באיור 3). מפרק המרפק יש צלחת מסתובבת והנושאת דחף למנוע חיכוך במהלך הניסוי, ואת יחידות השרוול היו עקומים דומה לזה של זרוע האדם ונעשו באמצעות מדפסת תלת-ממד. יחידת האחיזה מיועדת להכיל אנשים שמאליים וימניים, מה שהופך אותו לזמין לכל נושא.
- השתמש במנוע עם יחס הילוך נמוך של 51:1, אשר צריך לקבל מאפיינים בחזרה בלתי כהלכה ואת היכולת לייצר מהירות נומינלית של 315 °/s ו מומנט מתמשך של 42.33 Nm.
- השתמש ביחידת שקע מעבדה המצורפת לתחתית המנוע כדי להתאים את גובה היחידה של המנוע. הגובה של הרובוט יוכל להיות מותאם לגובה הישיבה של נושאים שונים.
- מניחים זרוע קיבוע להרכבת המכשיר לשולחן בחלק הקדמי של הרובוט. הזרוע הקיבעון תהיה למעלה ולמטה דרך פיר ליניארי יש מלחציים לאבטח את השולחן.
- מקום גלגלים עם פקק על החלק התחתון של הרובוט, מה שהופך את הרובוט הנייד מקורקע במהלך הניסוי.
- מערכת בקרה
- השתמש במחשב אישי (PC), במעבד בזמן אמת ובמנהל התקן מוטורי עבור מערכת הבקרה המרכזית. דיאגרמת בלוק ארכיטקטורת הבקרה המפורטת מוצגת באיור 4.
- השתמש בממשק משתמש גרפי (GUI) כדי לשלוט במצב הניסוי (מדידה מרבית של ROM, Isokinetic MTS ומצבי מדידה של MTS ידניים) ולאחסן נתוני תנועה של הרובוט. הוא מכיל לוח בקרה ופאנל ניטור (איור 5). פרטים על תצורת GUI נכללים בנספח.
- יישם את אלגוריתם בקרת הרובוט באמצעות מעבד בזמן אמת. אלגוריתם הבקרה מורכב משלושה לולאות בקרה. הלולאה הראשונה היא לולאת קלט/פלט נתונים הפועלת במהירות של 1 מגה-הרץ ממודול FPGA של sbRIO. השני הוא הרובוט לולאה בקרת תנועה הפועלת על 1 kHz מרמת VI בזמן אמת. האחרונה היא לולאת תקשורת נתונים הפועלת ב-250 Hz. לולאה זו משדרת נתוני הרובוט (זמן, זווית, מומנט כוח ואות ההדק עבור התאמה עם נתוני EMG).
הערה: למעבד בזמן אמת יש שני מודולי תקשורת: NI-9237 ו-NI-9853. NI-9237 הוא התקן קלט אנלוגי לקבלת נתונים חיישן מומנט, ו NI-9853 הוא מודול תקשורת יכול לתקשר עם הנהג המנוע.
- יחידות מדידה
- הר חיישן מומנט בין מניאנידום והמנוע כדי למדוד את כוח התגובה. הנתונים מומנט מועבר למעבד בזמן אמת דרך NI-9237. NI-9237 יש להקה משלו, הסטופס, ומסנן רוחב פס ללא כינוי. הנתונים המסוננים נכנסים למודול FPGA ומעובדים שוב ב-100 Hz עם מסנן עם מעבר נמוך כדי להסיר רעשים.
- למדוד את זווית משותפת על ידי מקודד (HEDL 9140, Maxon, שוויץ) מחובר למנוע. נתוני הזווית מועברים למעבד בזמן אמת דרך מנהל ההתקן של המנוע.
- מדידת פעילות השריר עם התקן EMG שמונה ערוצים משטח. נתוני ה-EMG נאספו בקצב דגימה של 1024 Hz, ועובדו בתחילה באמצעות מסנן של מעבר בנדנה (20-450 Hz) ומסנן חריץ (60 Hz). נתוני EMG הנמדדים מועברים למחשב ישירות.
- חלק רובוטי
2. הגדרת ניסיוני
הערה: על שני מרצרים להשתתף בניסוי זה. במקרה שלנו, הראשון היה פיזיותרפיה עם יותר מ 6 שנות ניסיון בשיקום, ואת דרג השני היה מטפל בעיסוק עם יותר מ 3 שנות ניסיון בשיקום שבץ.
-
הגדרת תנוחה התחלתית
- מניחים את המטופל בכיסא עם הגב שלו בתנוחה ישרה.
- לאבטח את שני הצדדים של הכתף והבטן עם חגורות לשמור על מיקום הכתפיים יציב לאורך כל הניסוי.
- הניחו את זרועו של הנבדק בקלילות על מאנימת הרובוט ללא חיזוק הרצועה.
- לבטל את בלוק הקיבעון של המחוון ליניארי כך את השרוול ניתן להעביר בחופשיות על המחוון ולאפשר את הזרוע המיפראטי של הנושא להיות ממוקם על מניאת הרובוט מאנידום בלי להדק את הרצועות.
- להתאים את גובה הרובוט באמצעות שקע המעבדה עד הכתף של המטופל נחטף 90 °. אשר את זווית החטיפה. באמצעות מדידת קרינה
- הנחה את הנושא להחזיק את הידית ולהדק את היד לידית ברצועות. ליישר את ציר הסיבוב של הרובוט ציר אנטומי של מפרק המרפק.
- Flex ולהאריך את מפרק מרפק כך את המיקום של השרוול ניתן לקרוא באופן טבעי בעמדה אופטימלית מבלי ליצור התנגדות במהלך תנועת המרפק. ואז, להדק את בלוק הקיבעון כדי לתקן את המיקום של השרוול ולהדק את הרצועות של השרוול הזרוע.
- לחבר את המשטח emg אלקטרודות על השריר שרירי ריר בזרוע המיפראטי.
-
מדידת ROM פסיבית
הערה: ROM פסיבי משמש כ ROM גבול בניסויים הבאים כדי למנוע בעיות הנגרמות על ידי תנועה מחוץ לטווח הפעולה של המטופל.- הקלט את המידע הצדדי של המטופל לתוך התוכנית GUI (ימין או שמאל).
- הגדר את המרפק 90 מעלות באמצעות goniometer. לחץ על לחצן set 90 מעלות בלוח GUI. תהליך זה תואם את הזווית המזוהה על ידי הרובוט עם הזווית המשותפת האנושית בפועל.
- לחץ על לחצן ערכת הסיום ב-GUI כדי להעביר את הרובוט למצב האקטולי.
- לחץ על הלחצנים בלוח ההפעלה המוטורי שבצד שמאל של ה-GUI, בסדר מלמעלה למטה.
- הפעל את לחצן ערכת הזווית והגדר את המהירות ל-1 °/s. לאחר מכן לחץ על לחצן הפעלה. הרובוט יהיה להאריך את המרפק לאט ב 1 °/s מתוך יציבה מ90 ° מעלות עד מומנט התגובה מגיע לרמה מסוימת הסף או משתרע על ידי 170 °.
הערה: בניסוי זה, סף מומנט הוגדר ל 0.6 ננומטר. ערך זה נקבע בניסוי באמצעות מחקר פיילוט. - הזווית המורחבת המרבית מאוחסנת אוטומטית כ-ROM המירבי.
- שנה את המהירות ל-1 °/s ולחץ שוב על לחצן ההפעלה . הרובוט משסף את המרפק לאט עד שהמומנט התגובה מגיע לרמת הסף.
- הזווית המקסימלית המרבית מאוחסנת אוטומטית כROM המינימלי.
3. מדידת MTS
הערה: הזמן הנדרש עבור כל שלב מוצג באיור 1. הזמן הכולל שנלקח על ידי נושא אחד כדי לבצע את כל הניסוי הוא כ 50 דקות (כולל שלב הגדרת הניסוי), אבל רוב הזמן יש לבלות במנוחה כדי לשמור על עקביות של עייפות.
- פיצוי אפקט האינרציה
הערה: תיאורטית, לא אמור להיות אפקט אינרציה במהלך התנועה הisokinetic. עם זאת, ייתכן שיש אפקט אינרציה בתחילת התנועה. כוח האינרציה צריך להיות מפוצה כדי למדוד רק את כוח התגובה שנוצר על ידי רפלקס למתוח. מאחר והיקף הכוח האינרציאלי שונה עבור כל נושא, יש לבצע מבחן ראשוני לפיצויי כוח האינרציה לפני המדידה הממשית של MTS. תוצאת דוגמה מוצגת באיור 6.- לחץ על לחצן ' הקודם ' בלוח הבקרה. הרובוט לכופף את המרפק לתנוחת זווית מינימלית (יציבה מקסימאלית מאוד).
- הגדר את המהירות ל-150 °/s והפעל את לחצן בדיקת האינרציה ואז את לחצן הפעלה. הרובוט יחול התקף קצר של 5 ° למטופל בקצב של 150 °/s. מומנט השיא וערך התקופה של כל ניסוי מוערמים באופן אוטומטי ומוצגים בלוח GUI.
- חזור על שלבים 3.1.2 – 3.1.3 עוד פעמיים. קביעת ערך מומנט השיא המתאים וערך התקופה מהנתונים שנמדדו והזן את הערך בתוכנית GUI. פרופיל מומנט הפיצוי (τcomp) נוצר באופן אוטומטי על בסיס משוואה 1 להלן, כאשר: a, מייצגת את השרעת הנחושה ואת λ מייצגת את התקופה.
הערה: צורת מומנט האינרציה מעוצבת כצורת קוסינוס מוגבהת כדי להקטין את טעינת החישוב. מומנט הפיצויים, המיועד לשתי תקופות עקב אפקט האינרציה, כמעט נעלם לאחר התקופה השנייה. משרעת התקופה השנייה מיועדת להיות 15% מהתקופה הראשונה.
- צעד ההיכרות
- לפני הניסוי בפועל, בצע שלוש פעולות הכשרה להכיר את המטופל בתנועות פתאומיות.
- לחץ על לחצן ' הקודם ' בחלונית. הרובוט לכופף את המרפק לתנוחת זווית מינימלית.
- לחץ על לחצן הפעלה לאחר שתודיע לנושא. הרובוט יהיה להאריך את המרפק של המטופל בקצב של 150 °/s, עד הזווית מגיע לזווית מקסימלית או מומנט התגובה מגיע לרמת הסף.
- חזור על שלבים 3.2.2 – 3.2.3 עוד פעמיים ולקחת מנוחה של 5 דקות לפני תחילת הבדיקה.
- מדידת Isokinetic MTS
הערה: מדידת ה-MTS הisokinetic מיועדת ליישום מצב המדידה האידיאלי של MTS. הרובוט מייצרת תנועה מהירות קבועה מדויקת במהירות קבועה מראש (150 °/s) עד להגיע ROM המקסימלי או עד להגיע לסף מסוים של מומנט התגובה. הערך ROM המקסימלי נקבע בשלב 2.2, ואת הערך הסף מומנט נקבע כמו 0.6 באמצעות לימודי הפיילוט הקודם, אשר מספיקה לגילוי רפלקסים מתיחה.- לחץ על הכפתור האחורי כדי לכופף את המרפק לתנוחת זווית מינימלית.
- לחץ על לחצן הפעלה מבלי ליידע את הנושא. הרובוט יהיה להאריך את המרפק של המטופל בקצב של 150 °/s עד הזווית מגיע לזווית המקסימלית או מומנט התגובה מגיע לרמת סף מסוימת. זמן, זווית, מומנט תגובה, ונתוני אות ההדק מאוחסנים במהלך הבדיקה.
- קח הפסקה של 2 דקות בין סטים וחזור על שלבים 3.3.1 – 3.3.3 עוד פעמיים.
- קח מנוחה של 5 דקות לאחר ביצוע שלושה סטים.
- מדידת MTS ידנית
הערה: מדידת ה-MTS הידנית נועדה לדמות את מדידת MTS המבוצעת בדרך כלל באתרים רפואיים בפועל. כדי להשוות את התוצאות של isokinetic MTS, המכשיר הרובוטי משמש רק ככלי מדידה כמותי המסירה את שגיאת המדידה, ופעולת המדידה בפועל מבוצעת על ידי מתקן אנושי. למטרה זו, הרובוט מפצה רק את החיכוך של הרובוט עצמו. פרטי הסרת החיכוך בנספח.- לחץ על הכפתור האחורי כדי לכופף את המרפק לתנוחת זווית מינימלית.
- לחץ על לחצן הפעלה חופשית ופעולת הרובוט תשתנה למצב פעולה ידני.
- החזיקו את ידית המניפה והושיטו את זרועו של הנבדק. במהלך המבצע, ה-דרג אמור ליצור מהירות מתמדת של 150 °/s.
- כבה את מצב הפעלה חופשית ולקחת הפסקה 2 דקות.
- חזור על שלבים 3.4.1 – 3.4.4 עוד פעמיים.
- חזור על מדידת MTS
- קח מנוחה של 10 דקות לאחר סיום הניסוי כולו עם הראשון.
- לשנות את דרג (כדי דרג שני) ולחזור על שלבים 3.3 – 3.4.
4. כימות ה-AoC
הערה: AoC נקבע על בסיס שני נתונים: EMG ו מומנט כוח. AoC נקבעת על ידי ניתוח ידני בשל המאפיינים הרועשים של נתוני EMG ושינויים של מאפיינים בודדים. בחירת ה-AoC מבוצעת על ידי מתאם שלישי, העיוור לסדר העכברושים.
-
Isokinetic MTS ניסוי ניתוח נתונים
- הערכת AoC באמצעות נתוני EMG
הערה: בדרך כלל, AoC נקבע כזווית שבה מתרחש ערך השיא המירבי של EMG. עם זאת, משך רפלקס מתיחה שונה עבור כל מטופל; לכן, שימוש בנקודת שיא מקסימלית EMG כמו AoC צפוי להיות אמינות נמוכה. ייתכן שהפרש הזמן לא יהיה גדול; עם זאת, שגיאת AoC יכול להיות משמעותי עקב מהירות הערכה מהירה של שיטת MTS. לכן, הזווית בתחילת נקודת הזינוק של EMG מסומנת כ-AoC.- עבד את נתוני EMG הגולמיים באמצעות ריבוע ממוצע השורש (RMS) כדי להחליק את הנתונים ולהגביר את הנפח 50x.
- סנכרן את נתוני EMG ואת הנתונים של זווית הרובוט באמצעות אותות ההדק של כל ערכת נתונים.
הערה: במערכת זו, נתוני EMG נמדדים על-ידי התקן עצמאי, בניגוד לנתונים אחרים; לכן, זמן ההתייחסות עשוי להיות שונה. להתקן EMG יש פונקציית סימון פסיקה של גורם מפעיל, המשיג את אות המפעיל ממעבד בזמן אמת בתחילתה של הערכת MTS. - קבע את ה-AoC באופן ידני כנקודת ההתחלה של מפרץ ה-EMG של RMS. הדוגמה מוצגת באיור 7.
הערה: הפונקציה מתעלמת מה-EMG של < מכיוון שהוא מופיע לעתים קרובות גם ללא רפלקס המתיחה. לפיכך, נקודת מנחשולים ברורה בתחילת השיא נבחרה כ-AoC.
- AoC הערכה באמצעות נתוני מומנט
הערה: לשרירים יש מאפיינים פאסיביים הפועלים כמו מערכת מעמעם קפיץ. גם אם השריר אינו מתגבר על כל כוח, כוח התגובה יכול להגדיל את השרירים כמתיחה. כיוון שעוצמת התכונה המכנית הפסיבית ורפלקס המתיחה משתנה מהמטופל למטופל, קשה לזהות את המלכוד תוך שימוש רק בערך המוחלט של כוח התגובה. במקום זאת, במחקר זה, המלכוד נקבע על ידי שינוי המאפיין פסיבי בשל הספסטיות ולא הערך המוחלט של כוח התגובה. השינוי של המאפיין פסיבי נקבע באופן ידני על ידי שינוי בשיפוע של קו הרגרסיה של מומנט התגובה.- צייר קו רגרסיה אחד מהנקודה שבה אות ההדק עולה ומצייר קו רגרסיה אחר מהנקודה שבה אות המפעיל יורד.
- השווה בין מדרונות שני קווי הרגרסיה. אם מעברי הצבע של שני קווי רגרסיה מציגים הבדל משמעותי, ניתן לקבוע את AoC בהצטלבות של שני קווי רגרסיה. הדוגמה מוצגת באיור 8.
- הערכת AoC באמצעות נתוני EMG
-
ניתוח מידע MTS לניסויים ידניים
הערה: במקרה של MTS ידני, קשה להפריד את הכוח המופעל על ידי הנושא, אשר הוחל על ידי דרג באמצעות חיישן מומנט אחד בלבד. לכן, במקרה של MTS ידני, רק ניתוח AoC באמצעות נתוני EMG מבוצע ללא ביצוע ניתוח AoC באמצעות נתוני מומנט.- הערכת AoC באמצעות נתוני EMG
הערה: השיטה לקביעת הערכת AoC באמצעות EMG היא בעצם זהה למקרה isokinetic MTS.- עבד את נתוני EMG הגולמיים באמצעות שיטת RMS כדי להחליק את הנתונים ולהגביר את הנפח 50x.
- סנכרן את נתוני EMG ואת נתוני זווית הרובוט באמצעות אותות ההדק של כל ערכת נתונים.
- קבע את ה-AoC באופן ידני כנקודת ההתחלה של מפרץ ה-EMG של RMS. דוגמה מוצגת באיור 9.
- הערכת AoC באמצעות נתוני EMG
5. ניתוח נתונים
-
מדד תנועת הערכה מנורמלת (נאמי)
הערה: AoC של MTS יכול להיות מושפע מגורמי תנועה שונים, כגון מהירות הערכה, האצה, וכו '. לכן, תנועת ההערכה צריכה להיות isokinetic ככל האפשר. נאמי מוצע להעריך את האידיאליות של תנועת ההערכה. האינדקס המוצע הוא אינדקס לא מימדי שניתן להשתמש בו כדי להעריך את העקביות של תנועת ההערכה המוקצית לנושאים בכל משפט.- לחשב את ROM, מהירות מקסימלית וזמן ההערכה מכל משפט הערכה.
הערה: הזווית נמדדת על ידי המקודד; לפיכך, המהירות המחושבת רועשת. לכן, המהירות המירבית נקבעת כמהירות המקסימלית של קו המגמה, ולא מנקודת השיא. - חשב את ערך נאמי עבור כל ניסוי במהלך הניסוי כולו באמצעות משוואה 3:
כאשר: θmax ו- θmin מייצגים זוויות מרביות ומינימליות, בהתאמה, נמדד במהלך הניסוי; ω max היא מהירות ההערכה המרבית; ו Δt הוא הזמן הכולל בילו עבור הערכה אחת. איור 10 מציג דוגמה של כל משתנה.
הערה: האינדקס המוצע מעניק ציון קרוב ל-1 אם תנועת ההערכה קרובה לisokinetic לחלוטין וציון קרוב ל -0 אם מהירות התנועה אינה עקבית.
- לחשב את ROM, מהירות מקסימלית וזמן ההערכה מכל משפט הערכה.
-
אנליזה סטטיסטית
הערה: כל הניתוחים הסטטיסטיים מתבצעים באמצעות החבילה הסטטיסטית PASW (גירסה 18.0 SPSS). שיטת מתאם המתאם התאיים (ICC) משמשת כדי לזהות את המהימנות של הבדיקה והמהימנות הבין-מחדש. רק תוצאות מהבדיקות השניות והשלישית משמשות לחישוב ה-ICC.- כדי לאמת אמינות בדיקה חוזרת, חשב את ICC מנתוני ה-AoC הנמדדים ומהתוצאה הסופית של נאמי.
- כדי לאמת אמינות בין-מטרים, חשב את ICC מהממוצע של נתוני AoC ו-נאמי.
- לחשב את ערך p של תוצאות aoc באמצעות לזווג לדוגמה t-בדיקות כדי להעריך את ההבדלים בין כל דרג או כל משפט הערכה.
הערה: P-ערכים של < 0.05 נחשבים משמעותיים מבחינה סטטיסטית. - חישוב מקדם המתאם פירסון בין AoC מבוסס על קריטריונים EMG וקריטריונים מומנט כוח כדי לאמת מתאם בין שתי השיטות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
המהימנות מחולקת לארבעה ציונים לפי ערך ICC: מעולה ביותר (> 0.90), מעולה (0.75 < ICC ≤ 0.90), הוגן לטוב (0.40 < ICC ≤ 0.75), ועני (< 0.40). השגיאה הסטנדרטית של המידות (SEM) חושבה כדי לקבוע את רכיב השגיאה של הסטיה. ההפרש הקטן ביותר לזיהוי (SDD) חושב על-ידי ה-SEM של נתוני הבדיקה החוזרת.
מדד תנועת הערכה מנורמלת (נאמי): הציון נאמי במהלך תנועה isokinetic היה תמיד 1, כלומר התקן isokinetic תמיד נוצר מהירות הקלט אחיד קבוע. עם זאת, מהימנות הבדיקה מחדש של נאמי במהלך תנועה ידנית היה עני עבור שני דרג 1 (ICC [95% CI] =-0.035 [-0.495 – 0.441]) ו דרג 2 (ICC [95% CI] = 0.438 [-0.038 – 0.752]). יתר על כן, האמינות הבין-לקויה של נאמי במהלך תנועה ידנית היה גם עני (ICC [95% CI] = 0.148 [-0.344 – 0.576]). לעומת זאת, התוצאות של שני העכברושים האנושיים הראו ערכי נאמי כמעט שווים (0.68 ו 0.67 עבור כל rater). שגיאת העקביות של שני העכברושים האנושיים היתה גדולה יותר מזו של המכשיר הisokinetic, ומראה הבדל גדול בין שתי הרסרס. תוצאות אלה מצביעות על כך שתנועת הערכה של מנוע האדם חסרה במאפייני הisokinetic והתנועה אינה עקבית בהתאם לנושא.
בדיקה-retest אמינות: טבלה 2 מציג את המהימנות מבחן-retest עבור התוצאות aoc בשלושה תנאים (isokinetic-emg, isokinetic-מומנט, ידני-emg). אמינות מבחן מחדש עבור MTS ידני היה מצוין (ICC = 0.804 ו 0.840). עם זאת, isokinetic MTS מדידה משופרת בדיקה מחדש אמינות הציון מאוד מעולה על הקריטריונים EMG ו מומנט (שולחן 2)
אמינות בין-מדרג: טבלה 3 מציגה אמינות בין-מינאטר לביצועי המדידה של aoc בשלושה תנאים. ה-ICC של האמינות הבין-ממדי של MTS הידני היה 0.788, אשר היה ליד הגבול התחתון של כיתה מעולה. MTS isokinetic שיפור אמינות בין-מינאטר ל-ICC של 0.890 מבוסס על נתוני EMG ו-ICC של 0.931 מבוסס על נתונים מומנט כוח.
מערכת יחסים ועקביות של תזמון של aoc בין הקריטריונים emg ו מומנט: שני התוצאות aoc מחושב הנתונים emg ואת נתוני מומנט כוח במהלך isokinetic MTS להראות מתאם גבוה באופן משמעותי בשני דרג 1 (מקדם מתאם פירסון = 0.937, p < 0.001) ו-דרג 2 (מקדם מתאם פירסון = 0.957, p < 0.001). יתר על כן, התזמון של AoC בין שתי התוצאות היה עקבי מאוד עם ICC של 1 (p < 0.001).
איור 1: הניסוי תרשים זרימה.
דמות זו שונתה מ-Sin ואח '10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: Isokinetic MTS רובוט מבחן.
(A) התצורה של התקן הרובוט isokinetic. (ב) בתוך התצורה של ההתקן. מערכת הבקרה כוללת מעבד בזמן אמת ומנהל התקן מוטורי. (ב) פורסם בעבר על ידי החטא ואח '.10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הרכב של מניאנידום.
שני אזיקים על פרק כף היד ואת הזרוע מחוברים המחוון ליניארי דרך בלוק קיבעון, מה שהופך את המיקום של השרוול מתכווננת. נקודת אחיזה ורצועת יד מהחלפה משמאל לימין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תצורת מערכת הבקרה.
שלושת הבלוקים הימניים מציגים את ההיררכיה של מערכת הבקרה והחצים מציגים את זרימת הנתונים בין כל יחידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: ממשק משתמש גרפי (GUI).
הצד השמאלי הוא לוח הבקרה, המכיל את הלחצנים השונים או את הפקדים המספריים הדרושים לבקרת הרובוט. הצד הימני הוא לוח ניטור המראה את הזווית, מומנט האינטראקציה, ואת אות ההדק בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: דוגמה לפיצוי על אפקט האינרציה.
הקו הירוק מציין את מומנט הגלם; הקו הכחול המנוקד מציין את דגם הכוח האינרציאלי; והקו האדום מצביע על תוצאה של פיצוי מומנט האינרציה. איור זה פורסם בעבר על ידי החטא ואח '10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: דוגמה של הערכת AoC באמצעות נתוני EMG (isokinetic MTS במקרה).
ערך RMS EMG של פחות מ-0.1 נחשב כרגיל. בחירת נקודת ההתחלה של נקודת הזינוק הנקיה של EMG מבוצעת וערך הזווית באותו זמן נקבע כ-AoC. איור זה פורסם בעבר על ידי החטא ואח '10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: דוגמה של הערכת AoC באמצעות נתונים מומנט כוח (isokinetic MTS במקרה).
ההערכה כוללת את השלבים הבאים: לצייר שתי קווים חיבור מומנט של נקודת ההתחלה הערכה ואת נקודת הסיום עם נתונים מומנט שרירותי, בהתאמה; למצוא את הנקודה שבה שתי השורות הופכות לקו הרגרסיה של נתוני מומנט הפיתול לפני ואחרי הנקודה שנבחרה; אם קיים הבדל משמעותי בין מעבר הצבע של שני קווי רגרסיה, הוא נשפט על כך שרפלקס מתיחה מתרחש בשלב זה. איור זה פורסם בעבר על ידי החטא ואח '10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9: דוגמה של הערכת AoC באמצעות נתוני EMG (מקרה MTS ידני).
כפי שנעשה במקרה הisokinetic (איור 7), ה-aoc נקבע כזווית כאשר מתרחשת קפיצת משטח של emg ברורה. איור זה פורסם בעבר על ידי החטא ואח '10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10: משתנים עבור מדד תנועת ההערכה המנורמלת (נאמי).
באופן אינטואיטיבי, ערך נאמי הוא היחס של האזור שמתחת לגרף המהירות לאזור של התיבה האפורה. תנועות isokinetic נוספות מציגות ערכים הקרובים ל-1. איור זה פורסם בעבר על ידי החטא ואח '10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| שתנה | תוצאה |
| גיל, שנים, ממוצע (SD) | 54.6 (12.2) |
| מין, n (%) | |
| גברים | 14 (82.4) |
| נשים | 3 (17.6)) |
| ימים מתחילת קו, חציון (IQR) | 722 (1226) |
| הצד המיפלסי, n (%) | |
| נכון | 10 (58.8) |
| שמאל | 7 (41.2) |
| סוג קו, n (%) | |
| איסכמי | 11 (64.7) |
| Hemorrhagic | 6 (35.3) |
| נגע שבץ, n (%) | |
| קליפת | 4 (23.5) |
| תת-קורטיקלית | 13 (76.5) |
| שלב ברונסטרום, חציון (IQR) | |
| זרוע | 4 (1) |
| יד | 3 (1) |
| רגל | 4 (1) |
| כוח שריר, חציון (IQR) | |
| כופף מרפק | 4 (1) |
| מרפק פושט | 4 (1) |
| MAS, כופף מרפק, n (%) | |
| 1 | 7 (41.2) |
| 1 + | 5 (29.4) |
| 2 | 5 (29.4) |
טבלה 1: הנושאים דמוגרפיה ומאפיינים בסיסיים.
| בחן | תבדקי | p | SEM | השופט מק | ICC (2, 1) (95% CI) | |
| ממוצע (SD) | ממוצע (SD) | |||||
| מדרג 1 | ||||||
| Isokinetic (150 °/s) תנועה עם EMG | 93.74 (28.35) | 90.93 (25.44) | 0.216 | 12.12 | 33.59 | 0.948 (0.857-0.981) |
| Isokinetic (150 °/s) תנועה עם מומנט כוח | 90.30 (27.93) | 89.61 (27.25) | 0.201 | 3.02 | 8.37 | 0.997 (0.992-0.996) |
| תנועה ידנית עם EMG | 82.67 (19.11) | 82.03 (21.73) | 0.838 | 17.21 | 47.7 | 0.804 (0.538-0924) |
| מדרג 2 | ||||||
| Isokinetic (150 °/s) תנועה עם EMG | 90.77 (28.69) | 88.14 (28.34) | 0.123 | 15.1 | 41.86 | 0.929 (0.929-0.991) |
| Isokinetic (150 °/s) תנועה עם מומנט כוח | 97.06 (23.47) | 94.37 (25.86) | 0.192 | 9.9 | 27.44 | 0.959 (0.873-0.987) |
| תנועה ידנית עם EMG | 80.96 (21.30) | 80.46 (22.81) | 0.875 | 16.94 | 46.96 | 0.840 (0.601-0.941) |
טבלה 2: מבחן מחדש תוצאות המהימנות עבור זווית של לתפוס נמדד עם מכשירים רובוטיים והתקנים רובוטיים עם תנועה ידנית.
הטבלה הזאת פורסמה על ידי החטא et al.10 (הערכים מחושבים על ידי לזווג t-test לדוגמה). SEM: שגיאת תקן של מדידה, SDD: ההבדל הקטן ביותר הנמצא בזיהוי, ICC: מקדם מתאם מסוג היחידה, EMG: אלקטרומגנט.
| מדרג 1 | מדרג 2 | p | SEM | ICC (2, 1) (95% CI) | |
| ממוצע (SD) | ממוצע (SD) | ||||
| Isokinetic (150 °/s) תנועה עם EMG | 88.16 (28.24) | 89.46 (28.33) | 0.973 | 17.81 | 0.890 (0.685-0.961) |
| Isokinetic (150 °/s) תנועה עם מומנט כוח | 94.32 (240.13) | 95.71 (24.44) | 0.775 | 12.54 | 0.931 (0.791-0.978) |
| תנועה ידנית עם EMG | 80.81 (18.98) | 80.71 (21.17) | 0.586 | 17.5 | 0.788 (0.493-0.920) |
שולחן 3: תוצאות המהימנות של האינטר-מאטר לזווית לתפוס נמדד עם מכשירים רובוטיים isokinetic ומכשירים רובוטיים בתנועה ידנית.
הטבלה הזאת פורסמה על ידי החטא et al.10 (הערכים מחושבים על ידי לזווג t-test לדוגמה). SEM: שגיאת תקן של מדידה, ICC: מקדם מתאם תאיים, EMG: אלקטרומגרפיה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מחקר זה ניסה לתקנן את מדידת MTS באמצעות מכשיר isokinetic רובוטי. הוא נחקר כיצד העקביות של תנועת הערכה משפיעה על תוצאות מדידת MTS.
ערך נאמי הוצע כדי לייצג את מידת השונות בתנועת הערכה. כצפוי, בניגוד לשיטת isokinetic motion ללא שינויים, השיטה הידנית הראתה שינויים בין בדיקות ובין רסרס, והתוצאה היא אמינות ירודה, העקבית עם תוצאות ממחקרים קודמים7,8 . התוצאות על אמינות מדידה AoC להראות כי isokinetic motion עצמה יכול להגביר את אמינות interrater לעומת תנועה ידנית. למרות, היו חששות לגבי פרובוקציה פחות רפלקס מתיחה על ידי isokinetic motion11,12, נושאים במחקר זה עם ספסטיות כופף המרפק מתון (MAS 1, 1 +, 2) הראה רפלקסים מתיחה עקבית נמדד על ידי EMG משטח במהלך isokinetic motion. זה מוכיח כי מכשיר isokinetic ניתן להשתמש כדי למדוד AoC אמין, גם בחולים עם ספסטיות מרפק קל. AoC המחושבת גם על ידי קריטריוני הפיתול במחקר זה. מעניין, AoC נמדד באמצעות שני הקריטריונים EMG ו מומנט הראה מתאם גבוה, בעוד קריטריונים מומנט הראו לבדו אמינות האינטר-מאטר גבוה יותר, אשר עקבית עם התוצאות שסופקו על ידי לין ואח '13. לכן, הערכת ספסטיות באמצעות הקריטריונים מומנט הכוח צפוי להיות שיטה טובה יותר ביחס אמינות ונוחות.
זו גישה חדשה לכמת את המדידה MTS יש כמה בעיות ומגבלות. ראשית, התנוחה במהלך מדידות AoC במחקר זה היה שונה מדידות MTS קונבנציונאלי14. MTS קונבנציונאלי בוצע בהיעדר חטיפת כתף; לעומת זאת, במחקר זה, בוצעו מדידות עם הכתף נחטף 90 מעלות. עם זאת, מטרת מחקר זה היתה לאמת את ההשפעות של עקביות של תנועת ההערכה על אמינות AoC. התנוחה המשמשת בניסוי זה עושה את זה קל למדוד AoC באמצעות נתוני מומנט ידי ביטול ההשפעה של משקל הזרוע, אשר קשה למדוד בנפרד. לכן, ניסוי זה מספק פרספקטיבה על האופן שבו תנועת ההערכה משפיעה על המהימנות של מדידות ה-AoC.
שנית, המדידה AoC באמצעות מומנט כוח וקריטריונים EMG בוצעו סובייקטיבי. עם זאת, זה נערך על ידי דרג שלישי שהיה עיוור למידע הנושא וסדר של מרצרים כדי למזער את ההטיה הפוטנציאלית. שלישית, הגידול של מומנט התגובה עקב תכונות מכניות פסיבי היה בלתי צפוי בעת עיצוב הניסוי בתחילה. זה היה צפוי כי מומנט התגובה נגרמת בעיקר על ידי רפלקס מתיחה; עם זאת, בחולים עם ספסטיות קל, מקרים רבים הראו כי מומנט התגובה הנגרמת על ידי נוקשות פסיבית היה דומיננטי. לכן, AoC הושג באמצעות ניתוח נתונים שלאחר ניסיוני ולא זיהוי בזמן אמת. לבסוף, היתה הרפיה של כופף המרפק במהלך מתיחה פסיבית חוזרת. הניסוי תוכנן לשלב מספיק זמן מנוחה כדי למנוע עייפות במהלך הניסוי, והוא לא התלונן על עייפות. עם זאת, קשה למנוע הרפיה של השריר בשל מתיחה פסיבית חוזרים. כדי להקטין את ההשפעה הזאת, הניסוי תוכנן לאקראי את סדר הרסרס, והתוצאות לא הראו תופעת הרפיה משמעותית בין שתי הרסרס.
מטרת מחקר זה הייתה לשפר את שיטות ההערכה המסתמכות על התחושה הסובייקטיבית של הראטר ומחזקת אותם לסטנדרטים אובייקטיביים וכמותיים יותר. התוצאות מציגות את האפשרות להגדיל את אמינות ההערכה באמצעות מכשיר רובוטי. עם זאת, השיטה שבוצעה במחקר זה הוא רק חצי אוטומטי, כי הערכת AoC נעשית על ידי אדם. צפוי כי המחקרים הנוספים יאפשרו הערכה בזמן אמת של מערכות הפעלה עם אמינות גבוהה ואובייקטיביות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
כל המחברים לא מצהירים על ניגוד אינטרסים.
Acknowledgments
מחקר זה היה נתמך על ידי האוניברסיטה הלאומית של סאול בונדנג החולים המחקר הרפואי (14-2014-035) ו קוריאה והמחקר הלאומי של קוריאה (NRF) גרנט ממומן על ידי ממשלת קוריאה (A100249). היינו רוצים להודות לפארק היון של סאו וההה-in קים על סיוע להתכונן ולהמשיך עם צילום וידאו.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Lokit | 3Dison+ | FDA type 3D printer |
| Ball sprine shaft | Misumi | LBF15 | |
| Bridge Analog Input module | National Instruments | NI 9237 | |
| CAN communication module | National Instruments | NI 9853 | |
| Caster | Misumi | AC-50F | |
| Electromyography (EMG) device | Laxtha | WEMG-8 | |
| EMG electrode | Bioprotech | 1.8x1.2 mm Ag–AgCl | |
| Encoder | Maxon | HEDL 9140 | 500 CPT |
| Gearbox | Maxon | GP 81 | 51:1 ratio |
| Lab jack | Misumi | 99-1620-20 | |
| Linear slider | Misumi | KSRLC16 | |
| Motor | Maxon | EC-60 | brushless EC motor |
| Motor driver | Elmo | DC Whistle | |
| PLA | Lokit | 3D printer material | |
| Real-time processor | National Instruments | sbRIO-9632 | |
| Torque sensor | Transducer Techniques | TRS-1K |
References
- Sommerfeld, D. K., Gripenstedt, U., Welmer, A. K. Spasticity after stroke: An overview of prevalence, test instruments, and treatments. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. 91 (9), 814-820 (2012).
- Sommerfeld, D. K., Eek, E. U. B., Svensson, A. K., Holmqvist, L. W., von Arbin, M. H. Spasticity after Stroke: Its Occurrence and Association with Motor Impairments and Activity Limitations. Stroke. 35 (1), 134-139 (2004).
- Lundström, E., Terént, A., Borg, J. Prevalence of disabling spasticity 1 year after first-ever stroke. European Journal of Neurology. 15 (6), 533-539 (2008).
- Ashford, S., Turner-Stokes, L. Systematic Review of Upper-limb Function Measurement Methods in Botulinum Toxin Intervention for Focal Spasticity. Physiotherapy Research International. 18 (3), 178-189 (2013).
- Patrick, E., Ada, L. The Tardieu Scale differentiates contracture from spasticity whereas the Ashworth Scale is confounded by it. Clinical Rehabilitation. 20 (2), 173-189 (2006).
- Li, F., Wu, Y., Li, X. Test-retest reliability and inter-rater reliability of the Modified Tardieu Scale and the Modified Ashworth Scale in hemiplegic patients with stroke. European Journal of Physical and Rehabilitation Medicine. 50 (1), 9-15 (2014).
- Mehrholz, J., et al. Reliability of the Modified Tardieu Scale and the Modified Ashworth Scale in adult patients with severe brain injury: a comparison study. Clinical Rehabilitation. 19 (7), 751-759 (2005).
- Ansari, N. N., Naghdi, S., Hasson, S., Azarsa, M. H., Azarnia, S. The Modified Tardieu Scale for the measurement of elbow flexor spasticity in adult patients with hemiplegia. Brain Injury. 22 (13-14), 1007-1012 (2008).
- van den Noort, J. C., Scholtes, V. A., Harlaar, J. Evaluation of clinical spasticity assessment in Cerebral palsy using inertial sensors. Gait & Posture. 30 (2), 138-143 (2009).
- Sin, M., Kim, W. S., Cho, K., Cho, S., Paik, N. J. Improving the test-retest and inter-rater reliability for stretch reflex measurements using an isokinetic device in stroke patients with mild to moderate elbow spasticity. Journal of Electromyography and Kinesiology. 39 (1), 120-127 (2018).
- Grippo, A., et al. Biomechanical and electromyographic assessment of spastic hypertonus in motor complete traumatic spinal cord-injured individuals. Spinal Cord. 49 (1), 142-148 (2011).
- Rabita, G., Dupont, L., Thevenon, A., Lensel-Corbeil, G., Pérot, C., Vanvelcenaher, J. Differences in kinematic parameters and plantarflexor reflex responses between manual (Ashworth) and isokinetic mobilisations in spasticity assessment. Clinical Neurophysiology. 116 (1), 93-100 (2005).
- Lynn, B. O., et al. Comprehensive quantification of the spastic catch in children with cerebral palsy. Research in Developmental Disabilities. 34 (1), 386-396 (2013).
- Boyd, R. N., Graham, H. K. Objective measurement of clinical findings in the use of botulinum toxin type A for the management of children with cerebral palsy. European Journal of Neurology. 6 (1), 23-35 (1999).
