Summary
Met behulp van een robotische isokinetische inrichting met elektromyografie (EMG)-metingen illustreert dit protocol dat isokinetische beweging zelf de betrouwbaarheid van de interrater kan verbeteren voor de hoek van de vangst metingen bij beroerte-patiënten met milde elleboog flexor spasticiteit.
Abstract
Het meten van spasticiteit is belangrijk bij de behandelingsplanning en het bepalen van de werkzaamheid na de behandeling. Het huidige hulpmiddel dat in klinische instellingen wordt gebruikt, is echter beperkt in de betrouwbaarheid van de Inter-Rater. Een factor in deze slechte betrouwbaarheid van de Inter-Rater is de variabiliteit van passieve beweging tijdens het meten van de hoek van de vangst (AoC) metingen. Daarom is een isokinetische inrichting voorgesteld om de handmatige gezamenlijke beweging te standaardiseren; de voordelen van isokinetische beweging voor AoC-metingen zijn echter niet gestandaardiseerd getest. Dit Protocol onderzoekt of isokinetische beweging zelf de betrouwbaarheid voor AoC-metingen kan verbeteren. Hiervoor werd een Robotic isokinetische inrichting ontwikkeld die wordt gecombineerd met oppervlakte elektromyografie (EMG). Twee voorwaarden, handmatige en isokinetische bewegingen, worden vergeleken met de gestandaardiseerde methode om de hoek en het subjectieve gevoel van vangst te meten. Het is aangetoond dat bij 17 beroerte patiënten met milde elleboog flexor spasticiteit, isokinetische beweging verbeterde de intraclass correlatiecoëfficiënt (ICC) voor de betrouwbaarheid van de Inter-Rater van AoC-metingen naar 0,890 [95% betrouwbaarheidsinterval (CI): 0.685 – 0.961] door de EMG criteria, en 0,931 (95% BI: 0.791 – 0.978) door de koppel criteria, van 0,788 (95% BI: 0.493 – 0.920) door handmatige beweging. Tot slot kan isokinetische beweging zelf de betrouwbaarheid van AoC-metingen bij beroerte-patiënten met milde spasticiteit verbeteren. Gezien het feit dat dit systeem meer gestandaardiseerde hoekmetingen en de vangst van het gevoel kan bieden, kan het een goede optie zijn voor de evaluatie van spasticiteit in een klinische setting.
Introduction
Spasticiteit na een beroerte is gebruikelijk en is aangetoond dat het induceren van complicaties, met inbegrip van pijn en contracturen, resulterend in verminderde kwaliteit van leven1,2,3. Het meten van spasticiteit is belangrijk om het verloop van de behandeling goed te plannen en de effectiviteit van de behandeling te bepalen. Veelgebruikte gereedschappen in de klinische setting zijn de gemodificeerde Ashworth schaal (MAS)4, een nominaal meetsysteem voor weerstand tegen passieve beweging, en de gemodificeerde Tardieu schaal (MTS), die de vang hoek (AoC) meet, die de Velocity-afhankelijke karakteristiek van spasticiteit5. Deze meetinstrumenten hebben echter aangetoond dat zij een beperkte betrouwbaarheid van Inter-Rater6,7hebben, die dezelfde Rater nodig heeft om deze tests uit te voeren om een bevredigende betrouwbaarheid te handhaven8.
Drie factoren zijn aangetoond induceren variabiliteit in AoC tijdens MTS meting, met inbegrip van (1) fouten van hoekmetingen door een goniometrie; (2) variabiliteit van handmatig verplaatst gezamenlijke bewegingsprofiel tussen raters; en (3) variabiliteit in het meten van de vangst tussen beoordelaars9. In dit protocol wordt een nieuw isokinetische robot apparaat met koppel sensoren gepresenteerd. Dit apparaat wordt toegepast op beroerte patiënten met milde elleboog flexor spasticiteit met behulp van oppervlakte elektromyografie (EMG) metingen10. Het was veronderstelde dat de standaardisatie van de elleboog gewrichtsbeweging de betrouwbaarheid van een inter-Rater voor AoC-metingen zal verbeteren, opgewekt door de elleboog flexor stretch reflex. Om dit te bewijzen, werd de betrouwbaarheid van AoC zoals gemeten door de oppervlakte-EMG berekend en vergeleken tussen de isokinetische passieve en handmatige snelle elleboog uitbreiding, met behulp van dit ontwikkelde robot apparaat en EMG. Figuur 1 toont een overzicht van de gehele experimentele procedure. In detail werd de MTS-meet fase uitgevoerd door twee beoordelaars, en de volgorde van de experimenten (Manual vs. isokinetische beweging) en de volgorde van de beoordelaars werden willekeurig bepaald, wat ongeveer 50 min voor elk onderwerp vereiste (Figuur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. experimentele opstelling
- Werving en selectie van patiënten
Opmerking: alle procedures zijn beoordeeld en goedgekeurd door de Seoul National University bundang Hospital institutioneel Review Board. Deze proefpersonen waren inpatiënten of ambulpatiënten met beroerte diagnoses van vier revalidatie ziekenhuizen in de regio.- Voer het screeningproces uit met behulp van de volgende Inclusiecriteria: (1) bovenextremiteit hemiparese als gevolg van een beroerte; 2) ouder dan 20 jaar; (3) milde elleboog gewrichts spasticiteit van MAS 1-2; (4) geen eerdere ziekte die de functie van de hemiparetische arm aantast, met uitzondering van een beroerte; (5) vrij van hemodynamische instabiliteit; (6) geen ernstige elleboog contractuur; (7) de mogelijkheid voor de schouder om te worden ontvoerd 90 ° en onderarm te zijn in de neutrale positie zonder enige gewrichtspijn; en (8) normale cognitieve, taal, visuospatial of attention vermogen om experimentele procedures te volgen.
Opmerking: de criteria zijn ontworpen om patiënten te schermen die in staat zijn om aan het experiment deel te nemen en factoren te reguleren die de resultaten beïnvloeden. - Rekruteer proefpersonen die voorzien zijn van een gedetailleerde uitleg van het volledige onderzoek en de verwachte klinische problemen. Toestemming moet worden verkregen voorafgaand aan de opname.
- Demografische gegevens en baseline karakteristieken van de gerekruteerde proefpersonen worden weergegeven in tabel 1.
- Voer het screeningproces uit met behulp van de volgende Inclusiecriteria: (1) bovenextremiteit hemiparese als gevolg van een beroerte; 2) ouder dan 20 jaar; (3) milde elleboog gewrichts spasticiteit van MAS 1-2; (4) geen eerdere ziekte die de functie van de hemiparetische arm aantast, met uitzondering van een beroerte; (5) vrij van hemodynamische instabiliteit; (6) geen ernstige elleboog contractuur; (7) de mogelijkheid voor de schouder om te worden ontvoerd 90 ° en onderarm te zijn in de neutrale positie zonder enige gewrichtspijn; en (8) normale cognitieve, taal, visuospatial of attention vermogen om experimentele procedures te volgen.
- Experimenteel systeem
Opmerking: een aangepast robot apparaat wordt gebruikt om gestandaardiseerde beweging te produceren en de kwantitatieve gegevens tegelijkertijd te meten. Het robotsysteem bestaat uit een robot onderdeel, een besturingssysteem en meeteenheden. De algemene configuratie wordt weergegeven inFiguur 2.- Robotic onderdeel
- Gebruik voor het robot gedeelte een one-graad-of-Freedom vlakke robot die bestaat uit een motor en een onderarm manipulandum, met drie andere componenten voor het afstellen van de robot hoogte en het installeren van het apparaat op verschillende bureaus. De totale samenstelling wordt weergegeven in Figuur 2a.
- Gebruik voor de onderarm manipulandum een ellebooggewricht aangesloten op de motor, een lineaire schuifregelaar met een fixatie blok om de totale lengte en twee manchet eenheden voor het fixeren van de onderarm en de hand aan te passen (zoals weergegeven in Figuur 3). De ellebooggewricht heeft een roterende plaat en een stuw lager om schuren tijdens het experiment te voorkomen, en de manchet eenheden waren gebogen vergelijkbaar met die van een menselijke onderarm en werden gemaakt met behulp van een 3D-printer. De handgreep is ontworpen voor zowel links-als rechtshandige personen, waardoor deze beschikbaar zijn voor alle onderwerpen.
- Gebruik een motor met een lage overbrengingsverhouding van 51:1, die back-driveerbare eigenschappen moet hebben en de mogelijkheid om een nominale snelheid van 315 °/s en een continu koppel van 42,33 nm te produceren.
- Gebruik een Lab-Jack-eenheid die aan de onderkant van de motor is bevestigd om de hoogte van het motorblok aan te passen. De hoogte van de robot zal in staat zijn om te worden aangepast aan de zithoogte van verschillende onderwerpen.
- Plaats een fixatie-arm voor het monteren van het apparaat op het Bureau aan de voorkant van de robot. De fixatie-arm is beweegbaar op en neer door een lineaire schacht en heeft klemmen voor bevestiging aan het Bureau.
- Plaats de wielen met een stop op de onderkant van de robot, waardoor de robot beweegbaar en geaard is tijdens het experiment.
- Controlesysteem
- Gebruik een personal computer (PC), real-time processor en motorrijder voor het centrale besturingssysteem. Het gedetailleerde besturingselement architectuur blokdiagram wordt weergegeven in Figuur 4.
- Gebruik een grafische gebruikersinterface (GUI) om de experiment modus (maximale ROM-meting, isokinetische MTS en handmatige MTS-meetmodi) te beheren en de bewegingsgegevens van de robot op te slaan. Het bevat een bedieningspaneel en een controle paneel (Figuur 5). Details over de GUI-configuratie zijn opgenomen in de bijlage.
- Implementeer het Robot Control-algoritme met behulp van een real-time processor. Het algoritme van het besturingselement bestaat uit drie besturings lussen. De eerste lus is een Data input/output loop die op 1 MHz van de FPGA module van de sbRIO draait. De tweede is een robot motion control loop die op 1 kHz van de real-time VI niveau loopt. De laatste is een Data Communication loop die draait op 250 Hz. Deze lus verzendt robot gegevens (tijd, hoek, koppel en triggersignaal voor afstemming met EMG-gegevens).
Opmerking: de real-time processor heeft twee communicatie modules: NI-9237 en NI-9853. De NI-9237 is een analoog ingangs apparaat voor het ontvangen van koppelsensor gegevens, en de NI-9853 is een CAN-communicatiemodule voor communicatie met de motorrijder.
- Maateenheden
- Monteer een koppelsensor tussen het manipulandum en de motor om de reactiekracht te meten. De koppel gegevens worden overgebracht naar de real-time processor via NI-9237. De NI-9237 heeft zijn eigen pass band, Stop band en alias-vrije bandbreedte filter. De gefilterde gegevens komen in de FPGA-module en worden opnieuw verwerkt op 100 Hz met een low-pass filter om geluiden te verwijderen.
- Meet de gewrichts hoek door een encoder (HEDL 9140, Maxon, Zwitserland) die aan de motor is bevestigd. De hoek gegevens worden via de motor driver naar de real-time processor overgebracht.
- Meet de spieractiviteit met een acht-kanaals oppervlak EMG-apparaat. De EMG-gegevens werden verzameld met een bemonsteringsfrequentie van 1024 Hz en werden aanvankelijk verwerkt met een band pass-filter (20 – 450 Hz) en een inkeping-filter (60 Hz). De gemeten EMG-gegevens worden rechtstreeks naar de PC overgebracht.
- Robotic onderdeel
2. experimentele opstelling
Opmerking: twee beoordelers moeten deelnemen aan dit experiment. In ons geval was de eerste Rater een fysiatrist met meer dan 6 jaar ervaring in revalidatie, en de tweede Rater was een ergotherapeut met meer dan 3 jaar ervaring in beroerte revalidatie.
-
Initiële houdings instelling
- Plaats de patiënt in een stoel met zijn/haar rug in een rechte houding.
- Bevestig beide zijden van de schouder en de buik met veiligheidsgordels om de schouder positie stabiel te houden tijdens het experiment.
- Plaats de hemiparetische arm van het onderwerp lichtjes op de robot manipulandum zonder de riem te bevestigen.
- Bevestig het fixatie blok van de lineaire schuifregelaar zodat de manchet vrij kan worden verplaatst op de Slider en laat de hemiparetische arm van het onderwerp op de robot manipulatiandum geplaatst zonder de riemen te bevestigen.
- Pas de hoogte van de robot aan met behulp van de Lab-aansluiting totdat de schouder van de patiënt 90 ° wordt ontvoerd. Bevestig de ontvoering hoek met behulp van een goniometer.
- Instrueer het onderwerp om het handvat vast te houden en bevestig de hand aan het handvat met riemen. Lijn de rotatie-as van de robot en de anatomische as van het ellebooggewricht uit.
- Flex en strek de ellebooggewricht zodat de positie van de manchet kan worden aangepast op natuurlijke wijze in een optimale positie zonder het genereren van weerstand tijdens de elleboog beweging. Bevestig vervolgens het fixatie blok om de positie van de manchet vast te stellen en bevestig de riemen van de onderarm manchet.
- Bevestig het oppervlak EMG elektroden op de biceps brachii spier in de hemiparetic arm.
-
Passieve ROM-meting
Opmerking: Passieve ROM wordt gebruikt als een grens-ROM in de volgende experimenten om problemen te voorkomen die worden veroorzaakt door beweging buiten het werkingsbereik van de patiënt.- Input van de patiënt hemiparetic side informatie in het programma GUI (rechts of links).
- Stel de gebogen elleboog 90 ° met een goniometer. Druk op de knop 90 graden instellen in het GUI-deelvenster. Dit proces komt overeen met de hoek die door de robot wordt herkend met de werkelijke menselijke gewrichts hoek.
- Druk op de knop set voltooien op de GUI om de robot naar de bedienings toestand te schakelen.
- Klik op de knoppen op het Motorrun paneel aan de linkerzijde van de gui in volgorde van boven naar beneden.
- Zet de hoekset knop aan en stel de snelheid in op 1 °/s. Klik vervolgens op de knop uitvoeren . De robot zal de elleboog langzaam verlengen op 1 °/s van een in 90 ° gebogen houding totdat het reactie koppel een bepaald drempelniveau bereikt of zich uitstrekt met 170 °.
Opmerking: in dit experiment werd de Koppel drempel ingesteld op 0,6 nm. Deze waarde wordt experimenteel bepaald via een pilot studie. - De maximale verlengde hoek wordt automatisch opgeslagen als de maximale ROM.
- Wijzig de snelheid in-1 °/s en klik nogmaals op de knop uitvoeren . De robot buigt de elleboog langzaam totdat het reactie koppel het drempelniveau bereikt.
- De maximale gebogen hoek wordt automatisch opgeslagen als de minimale rom.
3. MTS-meting
Opmerking: de tijd die nodig is voor elke stap wordt weergegeven in afbeelding 1. De totale tijd genomen door een onderwerp om uit te voeren van alle het experiment is ongeveer 50 min (met inbegrip van de experiment set-up stap), maar het grootste deel van de tijd moet worden besteed rusten om de consistentie van vermoeidheid te handhaven.
- Compensatie voor traagheids effect
Opmerking: theoretisch zou er geen traagheids effect moeten zijn tijdens de isokinetische beweging. Er kan echter een traagheids effect aan het begin van de beweging zijn. De inertiële kracht moet worden gecompenseerd om alleen de reactiekracht die wordt gegenereerd door een stretch reflex te meten. Aangezien de grootte van de inertiële kracht voor elk onderwerp verschillend is, moet vóór de eigenlijke MTS-meting een voorlopige test voor de compensatie van de inertiële kracht worden uitgevoerd. Een voorbeeld van een resultaat wordt weergegeven in afbeelding 6.- Klik op de knop terug op het bedieningspaneel. De robot zal de elleboog buigen naar een minimale hoek houding (maximaal gebogen houding).
- Stel de snelheid in op 150 °/s en schakel de traagheids test knop in en vervolgens de knop uitvoeren . De robot zal een korte perturbatie van 5 ° toepassen op de patiënt met een snelheid van 150 °/s. Het piek koppel en de periode waarde van elke proefversie worden automatisch gestapeld en weergegeven in het GUI-deelvenster.
- Herhaal stap 3.1.2 – 3.1.3 nog twee keer. Bepaal een juiste piek koppelwaarde en periode waarde van de gemeten gegevens en voer de waarde in op de programma-GUI. Het compensatie koppel Profiel (τcomp) wordt automatisch gegenereerd op basis van vergelijking 1 hieronder, waarbij: a, de vastgestelde amplitude vertegenwoordigt en λ de periode vertegenwoordigt.
Opmerking: de vorm van het inertiële koppel is gemodelleerd als een verhoogde cosinus vorm om de berekenings belasting te verminderen. Het compensatie koppel, dat is ontworpen voor twee perioden als gevolg van het traagheids effect, verdwijnt bijna na de tweede periode. De amplitude van de tweede periode is bedoeld om 15% van de eerste periode te zijn.
- Familiarisatie stap
- Voorafgaand aan het eigenlijke experiment, voert u drie trainings bewerkingen uit om de patiënt vertrouwd te maken met plotselinge bewegingen.
- Klik op de knop terug in het deelvenster. De robot zal de elleboog buigen tot de minimale hoek houding.
- Klik op de knop uitvoeren nadat u het onderwerp hebt geïnformeerd. De robot zal de elleboog van de patiënt verlengen met een snelheid van 150 °/s, totdat de hoek tot een maximale hoek reikt of het reactie koppel het drempelniveau bereikt.
- Herhaal stap 3.2.2 – 3.2.3 nog twee keer en neem een rusttijd van 5 minuten voordat u begint met de test.
- Isokinetische MTS-meting
Opmerking: de isokinetische MTS-meting is ontworpen om een ideale MTS-meet voorwaarde te implementeren. De robot produceert nauwkeurige bewegingen met constante snelheid met een vooraf bepaalde snelheid (150 °/s) tot de maximale ROM bereikt wordt of totdat een bepaalde drempelwaarde van het reactie koppel bereikt wordt. De maximale ROM-waarde wordt bepaald in stap 2,2, en de waarde van de Koppel drempel wordt bepaald als 0,6 via eerdere pilotstudies, die voldoende is voor het opsporen van Stretch reflexen.- Klik op de knop terug om de elleboog naar de minimale hoek houding te buigen.
- Klik op de knop uitvoeren zonder het onderwerp te informeren. De robot zal de elleboog van de patiënt verlengen met een snelheid van 150 °/s totdat de hoek de maximale hoek bereikt of het reactie koppel een bepaald drempelniveau bereikt. Tijdens de test worden de gegevens over tijd, hoek, reactie koppel en triggersignaal opgeslagen.
- Neem een pauze van 2 minuten tussen de sets en herhaal stap 3.3.1 – 3.3.3 nog twee keer.
- Neem 5 min rust na het uitvoeren van drie sets.
- Handmatige MTS-meting
Opmerking: de handmatige MTS-meting is ontworpen om de MTS-meting te simuleren die normaal op echte medische sites wordt uitgevoerd. Om de resultaten van isokinetische MTS te vergelijken, wordt het robot apparaat alleen gebruikt als een kwantitatief meetinstrument dat de meetfout verwijdert en de werkelijke meet bewerking wordt uitgevoerd door een menselijke Rater. Voor dit doel compenseert de robot alleen de wrijving van de robot zelf. Details van de wrijvings verwijdering vindt u in de bijlage.- Klik op de knop terug om de elleboog naar de minimale hoek houding te buigen.
- Klik op de knop Free Run en de werking van de robot zal veranderen in de handmatige bedieningsmodus.
- Houd de hendel van het manipulatiendum vast en strek de arm van het onderwerp. Tijdens het gebruik moet de Rater een constante snelheid van 150 °/s.
- Schakel de Free Run -modus uit en neem een 2 minuten pauze.
- Herhaal stap 3.4.1 – 3.4.4 nog twee keer.
- De MTS-meting herhalen
- Neem 10 min rust na het voltooien van het hele experiment met de eerste Rater.
- Verander de Rater (naar de tweede Rater) en herhaal de stappen 3.3 – 3.4.
4. kwantificeren van het AoC
Opmerking: AoC wordt bepaald op basis van twee gegevens: EMG en Torque. AoC wordt bepaald door handmatige analyse door de rumoerige eigenschappen van de EMG-gegevens en de variabiliteit van individuele kenmerken. De AoC-selectie wordt uitgevoerd door een derde Rater, die blind is voor de volgorde van de raters.
-
Isokinetische MTS experimentgegevens analyse
- AoC-evaluatie met EMG-gegevens
Opmerking: in het algemeen wordt AoC bepaald als de hoek waarbij de maximale piekwaarde van het EMG optreedt. De duur van een stretch reflex verschilt echter per patiënt; Dus, met behulp van het EMG maximum piek punt als een AoC wordt verwacht dat een lage betrouwbaarheid. Het tijdsverschil is mogelijk niet groot. de AoC-fout kan echter aanzienlijk zijn vanwege de snelle beoordelings snelheid van de MTS-methode. Daarom wordt de hoek aan het begin van EMG toename Point geselecteerd als AoC.- Verwerk de onbewerkte EMG-gegevens met behulp van het root mean Square (RMS) om de gegevens glad te strijken en 50x te versterken.
- Synchroniseer de EMG-gegevens en de hoek gegevens van de robot met de trigger signalen van elke gegevensset.
Opmerking: in dit systeem worden de EMG-gegevens gemeten door een onafhankelijk apparaat, in tegenstelling tot andere gegevens; Daarom kan de referentietijd afwijken. Het EMG-apparaat heeft een trigger interrupt-markeringsfunctie, die het triggersignaal verkrijgt van een real-time processor aan het begin van de MTS-beoordeling. - Bepaal de AoC handmatig als het startpunt van de RMS EMG upsurge. Het voorbeeld wordt weergegeven in afbeelding 7.
Opmerking: de RMS EMG van < 0.1 wordt hier genegeerd omdat deze vaak wordt weergegeven, zelfs zonder de stretch reflex. Zo wordt een duidelijk toename punt aan het begin van de piek geselecteerd als de AoC.
- AoC-evaluatie met behulp van de koppel gegevens
Opmerking: spieren hebben passieve mechanische eigenschappen die als een veer-demper systeem fungeert. Zelfs als de spier geen kracht uitoefent, kan de reactiekracht toenemen naarmate de spieren zich uitstrekken. Omdat de intensiteit van de passieve mechanische eigenschap en Stretch reflex varieert van patiënt tot patiënt, is het moeilijk om de vangst te identificeren met alleen de absolute waarde van de reactiekracht. In plaats daarvan, in deze studie, de vangst wordt bepaald door het veranderen van de passieve eigenschap als gevolg van spasticiteit in plaats van de absolute waarde van de reactiekracht. De verandering van de passieve eigenschap wordt handmatig bepaald door de verandering in de helling van de regressielijn van het reactie koppel.- Teken een regressielijn vanaf het punt waar het triggersignaal omhoog gaat en teken een andere regressielijn vanaf het punt waar het triggersignaal uitvalt.
- De hellingen van de twee regressie lijnen vergelijken. Als de gradiënten van twee regressie lijnen een significant verschil vertonen, kan AoC worden bepaald op het snijpunt van twee regressie lijnen. Het voorbeeld wordt weergegeven in afbeelding 8.
- AoC-evaluatie met EMG-gegevens
-
Handmatige MTS-experimentgegevens analyse
Opmerking: in het geval van handmatige MTS is het moeilijk om de kracht die door het onderwerp wordt uitgeoefend te scheiden en die door de Rater met slechts één koppelsensor wordt toegepast. Daarom wordt in het geval van handmatige MTS alleen een AoC-analyse met EMG-gegevens uitgevoerd zonder AoC-analyse met behulp van de koppel gegevens.- AoC-evaluatie met EMG-gegevens
Opmerking: de methode voor het bepalen van de AoC-evaluatie met EMG is in principe hetzelfde als voor de isokinetische MTS-behuizing.- Verwerk de onbewerkte EMG-gegevens met de RMS-methode om de gegevens vloeiend te maken en 50x te versterken.
- Synchroniseer de EMG-gegevens en de robot hoek gegevens met behulp van de trigger signalen van elke gegevensset.
- Bepaal de AoC handmatig als het startpunt van de RMS EMG upsurge. Een voorbeeld wordt weergegeven in afbeelding 9.
- AoC-evaluatie met EMG-gegevens
5. gegevensanalyse
-
Motion index genormaliseerde beoordeling (NAMI)
Opmerking: het AoC van MTS kan worden beïnvloed door verschillende bewegings factoren, zoals beoordelings snelheid, versnelling, enz. Daarom moet de beoordelings beweging zo isokinetische mogelijk zijn. De NAMI wordt voorgesteld om de idealiteit van de beoordelings beweging te evalueren. De voorgestelde index is een niet-dimensionale index die kan worden gebruikt voor het evalueren van de consistentie van de beoordelings beweging die is toegewezen aan de proefpersonen in elke proef.- Bereken de ROM, de maximale snelheid en de beoordelings tijd van elke evaluatie proef.
Opmerking: de hoek wordt gemeten door het coderingsprogramma; de berekende snelheid is dus luidruchtig. Daarom wordt de maximale snelheid bepaald als de maximale snelheid van de trendlijn, niet het piek punt. - Bereken de NAMI-waarde voor elke proef tijdens het hele experiment met behulp van vergelijking 3:
Waar: θMax en θmin vertegenwoordigen respectievelijk de maximum-en minimumhoeken, gemeten tijdens het experiment; ω Max is de maximale beoordelings snelheid; en Δt is de totale tijd die voor één beoordeling is besteed. Afbeelding 10 toont een voorbeeld van elke variabele.
Opmerking: de voorgestelde index geeft een score dicht bij 1 als de beoordelings beweging dicht bij volledig isokinetische en een score dicht bij 0 als de snelheid van de beweging inconsistent is.
- Bereken de ROM, de maximale snelheid en de beoordelings tijd van elke evaluatie proef.
-
Statistische analyse
Opmerking: alle statistische analyses worden uitgevoerd met het PASW-statistisch pakket (SPSS-versie 18,0). De methode van de intraclass correlatiecoëfficiënt (ICC) wordt gebruikt om de test-hertest betrouwbaarheid en de betrouwbaarheid van de Inter-Rater te identificeren. Alleen de resultaten van de tweede en derde test worden gebruikt om het ICC te berekenen.- Bereken het ICC van de gemeten AoC-gegevens en het NAMI-resultaat om de betrouwbaarheid van de test opnieuw te testen.
- Om de betrouwbaarheid van de Inter-Rater te controleren, berekent u het ICC uit het gemiddelde van AoC-en NAMI-gegevens.
- Bereken de p-waarde van de AoC-resultaten met behulp van gepaarde monster t-tests om de verschillen tussen elke Rater of elke evaluatie proef te evalueren.
Opmerking: P-waarden van < 0,05 worden als statistisch significant beschouwd. - Bereken de correlatiecoëfficiënt van Pearson tussen AoC op basis van EMG-criteria en koppel criteria om een correlatie tussen de twee methoden te verifiëren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De betrouwbaarheid is onderverdeeld in vier graden volgens de ICC-waarde: extreem uitstekend (> 0.90), uitstekend (0,75 < ICC ≤ 0,90), fair to Good (0,40 < ICC ≤ 0,75) en slecht (< 0.40). De standaardfout van metingen (SEM) is berekend om de fout component van de variantie te bepalen. Het kleinste detecteerbare verschil (SDD) werd berekend uit het SEM van test-hertestgegevens.
Genormaliseerde beoordelings bewegings index (NAMI): de NAMI-score tijdens een isokinetische beweging was altijd 1, wat betekent dat het isokinetische apparaat altijd een uniforme constante ingangs snelheid genereerde. Echter, de test-hertest betrouwbaarheid van de NAMI tijdens een handmatige beweging was slecht voor zowel Rater 1 (ICC [95% bi] =-0,035 [-0.495 – 0.441]) en Rater 2 (ICC [95% bi] = 0,438 [-0.038 – 0.752]). Bovendien was de betrouwbaarheid van de NAMI tijdens de handmatige beweging ook slecht (ICC [95% bi] = 0,148 [-0.344 – 0.576]). Omgekeerd vertoonden de resultaten van de twee menselijke beoordelaars bijna gelijke gemiddelde Nami-waarden (0,68 en 0,67 voor elke Rater). De consistentiefout van de twee menselijke beoordelaars was groter dan die van het isokinetische apparaat, waarbij een groot verschil werd getoond tussen de twee beoordelaars. Deze resultaten geven aan dat een beoordelings beweging door een menselijke Rater ontbreekt in de isokinetische kenmerken en dat de beweging inconsistent is, afhankelijk van het onderwerp.
Test-hertest betrouwbaarheid: tabel 2 toont de test-hertest betrouwbaarheid voor de AoC-resultaten in drie omstandigheden (isokinetische-EMG, isokinetische-koppel, manueel-EMG). De test-hertest betrouwbaarheid voorhand matige MTS was uitstekend (ICC = 0,804 en 0,840). De isokinetische MTS-meting heeft echter de betrouwbaarheid van de test hertest verbeterd tot de zeer uitstekende kwaliteit van zowel de EMG-als de koppel criteria (tabel 2)
Betrouwbaarheid van de Inter-Rater: tabel 3 toont de betrouwbaarheid van de AoC-meetprestaties in drie omstandigheden. Het ICC van de Inter-Rater betrouwbaarheid van de handleiding MTS was 0,788, die was in de buurt van de ondergrens van de uitstekende kwaliteit. De isokinetische MTS verbeterde de betrouwbaarheid van de Inter-Rater tot het ICC van 0,890 op basis van EMG-gegevens en het ICC van 0,931 op basis van koppel gegevens.
Correlaties en consistentie van het tijdschema van AoC tussen de EMG-en koppel criteria: de twee AoC-resultaten berekend op basis van de EMG-gegevens en koppel gegevens tijdens de isokinetische MTS tonen een significant hoge correlatie in zowel Rater 1 (Pearson correlatiecoëfficiënt = 0,937, p < 0,001) en Rater 2 (correlatiecoëfficiënt Pearson = 0,957, p < 0,001). Bovendien was de timing van AoC tussen de twee resultaten zeer consistent met een ICC van 1 (p < 0,001).
Figuur 1: experiment stroomdiagram.
Dit cijfer wordt gewijzigd van Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: isokinetische MTS test robot.
A) configuratie van het isokinetische robot apparaat. B) binnen de configuratie van het apparaat. Het besturingssysteem bevat een real-time processor en motor driver. (B) werd eerder gepubliceerd door Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: samenstelling van het manipulandum.
Twee manchetten voor de pols en onderarm zijn aangesloten op de lineaire schuifregelaar door middel van een fixatie blok, waardoor de positie van de manchet verstelbaar is. Een handvat en hand band kunnen van links naar rechts worden omschakelbaar. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 4: configuratie van het besturingssysteem.
De rechter drie blokken tonen de hiërarchie van het besturingssysteem en de pijlen tonen de gegevensstroom tussen elke eenheid. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 5: grafische gebruikersinterface (GUI).
De linker kant is het bedieningspaneel, dat de verschillende knoppen of numerieke besturingselementen bevat die nodig zijn voor robotbesturing. De rechterkant is een controle paneel dat de hoek, het interactie koppel en het triggersignaal in real-time weergeeft. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: voorbeeld van compensatie voor traagheids effect.
De groene lijn geeft het ruwe koppel aan; de blauwe stippellijn geeft het inertiële kracht model aan; en de rode lijn geeft het resultaat van de inertiële koppel compensatie aan. Dit cijfer werd eerder gepubliceerd door Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 7: voorbeeld van een AoC-evaluatie met EMG-gegevens (isokinetische MTS-behuizing).
Een RMS EMG-waarde van minder dan 0,1 wordt als normaal beschouwd. Selectie van het startpunt van het Clear EMG toename Point wordt uitgevoerd en de hoekwaarde op dat moment wordt bepaald als AoC. Dit cijfer werd eerder gepubliceerd door Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: voorbeeld van AoC-evaluatie met behulp van koppel gegevens (isokinetische MTS-behuizing).
De evaluatie omvat de volgende stappen: teken twee lijnen die het koppel van het uitgangspunt van de aanslag en het eindpunt verbinden met een willekeurig koppel, respectievelijk; Zoek het punt waar de twee lijnen de regressielijn van de koppel gegevens voor en na het geselecteerde punt worden; Als er een significant verschil is tussen het verloop van twee regressie lijnen, wordt geoordeeld dat er op dit moment een stretch reflex optreedt. Dit cijfer werd eerder gepubliceerd door Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 9: voorbeeld van een AoC-evaluatie met EMG-gegevens (handmatige MTS-case).
Zoals gedaan in de isokinetische behuizing (Figuur 7), wordt het AoC bepaald als de hoek wanneer een duidelijke toename van het EMG optreedt. Dit cijfer werd eerder gepubliceerd door Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 10: variabelen voor de genormaliseerde beoordelings bewegings index (NAMI).
Intuïtief, de NAMI waarde is de verhouding van het gebied onder de snelheid grafiek naar het gebied van de grijze doos. Meer isokinetische bewegingen tonen waarden dichter bij 1. Dit cijfer is eerder gepubliceerd door Sin et al.10. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Variabele | Resultaat |
| Leeftijd, jaar, gemiddelde (SD) | 54,6 (12,2) |
| Geslacht, n (%) | |
| Mannen | 14 (82,4) |
| Vrouwen | 3 (17,6)) |
| Dagen na aanvang van de beroerte, mediaan (IQR) | 722 (1226) |
| Hemiplegic zijde, n (%) | |
| Recht | 10 (58,8) |
| Links | 7 (41,2) |
| Type lijn, n (%) | |
| Ischemische | 11 (64,7) |
| Hemorragische | 6 (35,3) |
| Beroerte laesie, n (%) | |
| Corticale | 4 (23,5) |
| Subcorticale | 13 (76,5) |
| Brunnstrom-fase, mediaan (IQR) | |
| Arm | 4, lid 1 |
| Hand | 3, lid 1 |
| Been | 4, lid 1 |
| Spierkracht, mediaan (IQR) | |
| Elleboog flexor | 4, lid 1 |
| Elleboog extensor | 4, lid 1 |
| MAS, elleboog flexor, n (%) | |
| 1 | 7 (41,2) |
| 1 + | 5 (29,4) |
| 2 | 5 (29,4) |
Tabel 1: onderwerpen demografische gegevens en baseline kenmerken.
| Test | Test | P | Sem | Sdd | ICC (2, 1) (95% BI) | |
| Gemiddelde (SD) | Gemiddelde (SD) | |||||
| Rater 1 | ||||||
| Isokinetische (150 °/s) beweging met EMG | 93,74 (28,35) | 90,93 (25,44) | 0,216 | 12,12 | 33,59 | 0,948 (0.857-0.981) |
| Isokinetische (150 °/s) beweging met koppel | 90,30 (27,93) | 89,61 (27,25) | 0,201 | 3,02 | 8,37 | 0,997 (0.992-0.996) |
| Handmatige beweging met EMG | 82,67 (19,11) | 82,03 (21,73) | 0,838 | 17,21 | 47,7 | 0,804 (0.538-0924) |
| Rater 2 | ||||||
| Isokinetische (150 °/s) beweging met EMG | 90,77 (28,69) | 88,14 (28,34) | 0,123 | 15,1 | 41,86 | 0,929 (0.929-0.991) |
| Isokinetische (150 °/s) beweging met koppel | 97,06 (23,47) | 94,37 (25,86) | 0,192 | 9,9 | 27,44 | 0,959 (0.873-0.987) |
| Handmatige beweging met EMG | 80,96 (21,30) | 80,46 (22,81) | 0,875 | 16,94 | 46,96 | 0,840 (0.601-0.941) |
Tabel 2: test hertest betrouwbaarheid resultaten voor de vang hoek gemeten met isokinetische robotische apparaten en robot apparaten met handmatige beweging.
Deze tabel is gepubliceerd door Sin et al.10 (p-waarden worden berekend door t-toets met paarsgewijs monster). SEM: standaard meetfout, SDD: kleinste detecteerbaar verschil, ICC: intraclass correlatiecoëfficiënt, EMG: elektromyografie.
| Rater 1 | Rater 2 | P | Sem | ICC (2, 1) (95% BI) | |
| Gemiddelde (SD) | Gemiddelde (SD) | ||||
| Isokinetische (150 °/s) beweging met EMG | 88,16 (28,24) | 89,46 (28,33) | 0,973 | 17,81 | 0,890 (0.685-0.961) |
| Isokinetische (150 °/s) beweging met koppel | 94,32 (240,13) | 95,71 (24,44) | 0,775 | 12,54 | 0,931 (0.791-0.978) |
| Handmatige beweging met EMG | 80,81 (18,98) | 80,71 (21,17) | 0,586 | 17,5 | 0,788 (0.493-0.920) |
Tabel 3: betrouwbaarheids resultaten van de Inter-Rater voor de hoek van de vangst, gemeten met isokinetische robotische apparaten en robot apparaten met handmatige beweging.
Deze tabel is gepubliceerd door Sin et al.10 (p-waarden worden berekend door t-toets met paarsgewijs monster). SEM: standaard meetfout, ICC: intraclass correlatiecoëfficiënt, EMG: elektromyografie.
Aanhangsel. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Deze studie probeerde de MTS-meting te standaardiseren met behulp van een robotisch isokinetische apparaat. Er werd onderzocht hoe de consistentie van de beoordelings beweging de resultaten van de MTS-meting beïnvloedt.
De NAMI-waarde werd voorgesteld om de mate van variabiliteit in de beoordelings beweging weer te geven. Zoals verwacht vertoonde de handmatige methode, in tegenstelling tot de isokinetische bewegings methode zonder variabiliteit, variabiliteit tussen tests en tussen raters, resulterend in een slechte betrouwbaarheid, wat consistent is met resultaten uit eerdere onderzoeken7,8 . De resultaten van de betrouwbaarheid van de AoC-meting tonen aan dat isokinetische beweging zelf de betrouwbaarheid van de interrater kan verhogen in vergelijking met handmatige beweging. Hoewel, er zijn bezorgdheid over de minder stretch reflex provocatie door de isokinetische beweging11,12, onderwerpen in deze studie met milde elleboog flexor spasticiteit (Mas 1, 1 +, 2) toonde consistente Stretch reflexen gemeten door oppervlak EMG tijdens isokinetische beweging. Dit toont aan dat een isokinetische inrichting kan worden gebruikt om AoC betrouwbaar te meten, zelfs bij patiënten met milde elleboog spasticiteit. AoC werd ook berekend aan de hand van de koppel criteria in deze studie. Interessant is dat AoC gemeten met behulp van zowel de EMG-als de koppel criteria een hoge correlatie vertoonde, terwijl de koppel criteria alleen een hogere betrouwbaarheid vertoonden, wat consistent is met de resultaten van Lynn et al.13. Daarom wordt naar verwachting een spasticiteits evaluatie met behulp van de koppel criteria een betere methode met betrekking tot betrouwbaarheid en gemak.
Deze nieuwe aanpak voor het kwantificeren van de MTS-meting heeft enkele problemen en beperkingen. Ten eerste was de houding tijdens AoC-metingen in deze studie verschillend van conventionele MTS-metingen14. De conventionele MTS werd uitgevoerd bij afwezigheid van schouder ontvoering; in dit onderzoek daarentegen werden metingen uitgevoerd met de schouder ontvoerde 90 graden. Het doel van deze studie was echter om de effecten van consistentie van de beoordelings beweging op de AoC-betrouwbaarheid te controleren. De in dit experiment gebruikte houding maakt het gemakkelijk om AoC te meten met behulp van de koppel gegevens door de invloed van het onderarm gewicht te elimineren, wat moeilijk afzonderlijk te meten is. Daarom biedt dit experiment een perspectief op de invloed van de beoordelings beweging op de betrouwbaarheid van AoC-metingen.
Ten tweede werd de AoC-meting met zowel de koppel-als de EMG-criteria subjectief uitgevoerd. Dit werd echter uitgevoerd door een derde Rater die blind was voor het onderwerp informatie en de orde van de beoordelaars om mogelijke bias te minimaliseren. Ten derde was de toename van het reactie koppel als gevolg van passieve mechanische eigenschappen onverwacht bij het ontwerpen van het experiment. Er werd verwacht dat het reactie koppel voornamelijk wordt veroorzaakt door stretch reflex; bij patiënten met milde spasticiteit toonden veel gevallen echter aan dat het reactie koppel veroorzaakt door passieve stijfheid dominant was. Daarom werd AoC verkregen door middel van post-experimentele gegevensanalyse in plaats van real-time identificatie. Tot slot was er ontspanning van de elleboog flexor tijdens herhaalde passieve stretching. Het experiment is ontworpen om voldoende rusttijd te nemen om vermoeidheid tijdens het experiment te voorkomen, en geen onderwerpen klaagden over vermoeidheid. Echter, het is moeilijk om te voorkomen dat de ontspanning van de spier als gevolg van herhaalde passieve stretching. Om deze impact te verminderen, werd het experiment ontworpen om de volgorde van de raters te randomiseren, en de resultaten toonden geen significant ontspannings fenomeen tussen de twee raters.
Het doel van deze studie was om de evaluatiemethoden te verbeteren die afhankelijk zijn van de subjectieve betekenis van de Rater en deze te houden aan meer objectieve en kwantitatieve normen. De resultaten tonen de mogelijkheid om de beoordelings betrouwbaarheid te verhogen met behulp van een robot apparaat. De methode die in dit onderzoek wordt uitgevoerd, is echter slechts half geautomatiseerd, omdat de AoC-evaluatie wordt uitgevoerd door een mens. Verwacht wordt dat de verdere studies real-time spasticiteit evaluatie met hoge betrouwbaarheid en objectiviteit zal mogelijk maken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Alle auteurs verklaren geen belangenconflict.
Acknowledgments
Deze studie werd gesteund door de Seoul National University bundang Hospital Research Fund (14-2014-035) en Korea en National Research Foundation of Korea (NRF) Grant, gefinancierd door de Koreaanse overheid (A100249). We willen SEO Hyun Park en Hae-in Kim bedanken voor het helpen voorbereiden en doorgaan met het opnemen van video.
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).
