Summary
Используя роботизированное изокинетическое устройство с измерениями электромиографии (ЭМГ), этот протокол иллюстрирует, что изокинетическое движение само по себе может повысить надежность межтарифного измерения угла измерения у пациентов с легким сгибателем локтя.
Abstract
Измерение спастичности имеет важное значение в планировании лечения и определении эффективности после лечения. Однако было показано, что современный инструмент, используемый в клинических условиях, ограничен в надежности межтарифов. Одним из факторов такой низкой межтарифной надежности является изменчивость пассивного движения при измерении угла измерений улова (AoC). Поэтому было предложено изокинетическое устройство для стандартизации ручного совместного движения; однако преимущества изокинетического движения для измерений AoC не были проверены стандартизированным образом. Этот протокол исследует, может ли изокинетическое движение само по себе повысить надежность межтарифов для измерений AoC. Для этого было разработано роботизированное изокинетическое устройство, которое сочетается с поверхностной электромиографией (ЭМГ). Два условия, ручные и изокинетические движения, сравниваются со стандартизированным методом измерения угла и субъективного ощущения улова. Показано, что у 17 пациентов с легким иступчивостью локтевого сгибателя изокинетическое движение улучшило коэффициент корреляции внутрикласса (ICC) для межрейтинговой надежности измерений AoC до 0,890 (95% доверительного интервала) (CI): 0,685-0.961) ЭмГ критерии, и 0,931 (95% ДИ: 0,791-0,978) по критериям крутящего момента, от 0,788 (95% ДИ: 0,493-0,920) по ручным движением. В заключение, изокинетическое движение само по себе может улучшить межтарифную надежность измерений AoC у пациентов с легким спастичностью. Учитывая, что эта система может обеспечить более стандартизированные измерения угла и поймать чувство, это может быть хорошим вариантом для оценки спастичности в клинических условиях.
Introduction
Спастичность после инсульта является распространенным явлением и было показано, чтобы вызвать осложнения,в том числе боль и контрактуры, в результате чего снижение качества жизни 1,2,3. Измерение спастичности важно правильно спланировать ход лечения и определить эффективность лечения. Обычно используемыми инструментами в клинических условиях являются модифицированная шкала Ashworth (MAS)4, которая является номинальной системой измерения устойчивости к пассивному движению, и модифицированная шкала Tardieu (MTS), которая измеряет угол улова (AoC), представляющий скорость-зависимая характеристика спастичности5. Тем не менее, эти инструменты измерения, какбыло показано, имеют ограниченную надежность межкоэффициентов 6,7, требуя того же оценщика для выполнения этих тестов для поддержания удовлетворительной надежности8.
Было показано, что три фактора вызывают изменчивость АОС при измерении МТС, включая (1) ошибки при измерениях угла гониометрией; (2) вариативность ручного перемещения совместного профиля движения между оценщиками; и (3) изменчивость в зондировании улова между оценщиками9. В этом протоколе представлено новое изокинетическое роботизированное устройство с датчиками крутящего момента. Это устройство применяется к инсульта пациентов с мягкой пастыря локтя сгибателя с помощью поверхностной электромиографии (ЭМГ) измерений10. Было предслоусужено что стандартизация движения соединения локтевого сустава улучшит межтарифную надежность для измерений AoC, вызванных рефлектором растяжения сгибателя локтя. Чтобы доказать это, надежность Для AoC, измеряемая по поверхности ЭМГ, была рассчитана и сравнена между изокинетическим пассивным и ручным быстрым расширением локтя, используя это разработанное роботизированное устройство и ЭМГ. На рисунке 1 показан обзор всей экспериментальной процедуры. Детально этап измерения МТС проводился двумя оценщиками, а порядок экспериментов (руководство против изокинетического движения) и порядок оценщиков были случайным образом определены, что требовало около 50 минут для каждого предмета (рисунок 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Экспериментальная настройка
- Набор пациентов
ПРИМЕЧАНИЕ: Все процедуры были рассмотрены и одобрены Сеульским национальным университетом Bundang больницы институционального обзора совета. Эти испытуемые были стационарными или амбулаторными пациентами с диагнозами инсульта из четырех реабилитационных больниц региона.- Выполните процесс скрининга, используя следующие критерии включения: (1) гемипарез верхних конечностей из-за инсульта; (2) старше 20 лет; (3) мягкая спастичность локтевого сустава MAS 1-2; (4) не было ранее заболевание, влияющие на функцию гемипаратической руки, за исключением инсульта; (5) без гемодинамической нестабильности; (6) нет тяжелой контрактуры локтя; (7) возможность похищения плеча на 90 градусов и предплечья, чтобы быть в нейтральном положении без каких-либо боли в суставах; и (8) нормальная когнитивная, языковая, висуопространственная или внимательная способность следовать экспериментальным процедурам.
ПРИМЕЧАНИЕ: Критерии предназначены для проверки пациентов, которые могут участвовать в эксперименте и регулировать факторы, влияющие на результаты. - Набирать субъектов, которые получают подробное объяснение всего исследования и ожидаемых клинических проблем. Согласие должно быть получено до включения.
- Демография и базовые характеристики набранных объектов показаны в таблице 1.
- Выполните процесс скрининга, используя следующие критерии включения: (1) гемипарез верхних конечностей из-за инсульта; (2) старше 20 лет; (3) мягкая спастичность локтевого сустава MAS 1-2; (4) не было ранее заболевание, влияющие на функцию гемипаратической руки, за исключением инсульта; (5) без гемодинамической нестабильности; (6) нет тяжелой контрактуры локтя; (7) возможность похищения плеча на 90 градусов и предплечья, чтобы быть в нейтральном положении без каких-либо боли в суставах; и (8) нормальная когнитивная, языковая, висуопространственная или внимательная способность следовать экспериментальным процедурам.
- Экспериментальная система
ПРИМЕЧАНИЕ: Настраиваемое роботизированное устройство используется для производства стандартизированных движений и измерения количественных данных одновременно. Роботизированная система состоит из роботизированной детали, системы управления и измерительных блоков. Общая конфигурация отображается вРисунок 2.- Роботизированная часть
- Для роботизированной части используйте планарный робот с одной степенью свободы, состоящий из двигателя и манипуляндума предплечья, с тремя другими компонентами для регулировки высоты робота и установки устройства на различные столы. Общая композиция показана на рисунке 2A.
- Для манипуляндума предплечья используйте локтевый сустав, подключенный к мотору, линейный ползунок с блоком фиксации для регулировки общей длины и два единицы манжеты для фиксации предплечья и руки (как показано на рисунке 3). Локтевой сустав имеет вращающуюся пластину и тягу подшипника для предотвращения износ во время эксперимента, и манжеты единицы были изогнуты, как у человека предплечья и были сделаны с помощью 3D-принтера. Ручка предназначена для размещения как левых, так и правых лиц, что делает его доступным для любых предметов.
- Используйте двигатель с низким коэффициентом передачи 51:1, который должен иметь задние управляемые характеристики и способность производить номинальную скорость 315 "/с и непрерывный крутящий момент 42,33 Нм.
- Используйте блок лабораторного гнезда, который крепится к нижней части двигателя, чтобы регулировать высоту моторного блока. Высота робота позволит скорректироваться к сидячей высоте различных предметов.
- Поместите руку фиксации для крепления устройства к столу на передней части робота. Рука фиксации будет подвижной вверх и вниз через линейный вал и имеет зажимы для обеспечения к столу.
- Поместите кастеры с пробкой на дно робота, что делает роботподвижным и заземлен во время эксперимента.
- Система управления
- Используйте персональный компьютер (PC), процессор в режиме реального времени и драйвер двигателя для центральной системы управления. Подробная диаграмма блока архитектуры управления отображается на рисунке 4.
- Используйте графический пользовательский интерфейс (GUI) для управления режимом эксперимента (максимальное измерение ПЗУ, изокинетическая МТС и ручные режимы измерения МТС) и хранения данных о движении робота. Он содержит панель управления и панель мониторинга(рисунок 5). Подробная информация о конфигурации ГРАФИЧЕСКОго интерфейса включена в приложение.
- Внедрить алгоритм управления роботом с помощью процессора в реальном времени. Алгоритм управления состоит из трех циклов управления. Первый цикл представляет собой цикл ввода/вывода данных, который работает на 1 МГц от модуля FPGA sbRIO. Второй — это петля управления движением робота, которая работает на уровне 1 кГц от уровня VI в реальном времени. Последним является цикл передачи данных, который работает на уровне 250 Гц. Этот цикл передает данные робота (время, угол, крутящий момент и триггерный сигнал для сопоставления с данными ЭМГ).
ПРИМЕЧАНИЕ: Процессор в реальном времени имеет два коммуникационных модуля: NI-9237 и NI-9853. NI-9237 является аналоговым устройством ввода для приема данных датчика крутящего момента, а NI-9853 - модулем связи CAN для общения с водителем.
- Единицы измерения
- Установите датчик крутящего момента между манипуландумой и мотором для измерения силы реакции. Данные крутящего момента передаются процессору в режиме реального времени через NI-9237. NI-9237 имеет свой собственный проходной диапазон, стоп-энд и фильтр без псевдонима пропускной способности. Отфильтрованные данные поступают в модуль FPGA и обрабатываются снова на 100 Гц с фильтром с низким проходом для удаления шумов.
- Измерьте угол соединения кодером (HEDL 9140, Maxon, Швейцария) прикрепляемого к мотору. Данные угла передаются процессору в режиме реального времени через водителя двигателя.
- Измерьте мышечную активность с помощью восьмиканального устройства ЭМГ. Данные ЕМГ были собраны со скоростью выборки 1024 Гц и первоначально обработаны фильтром диапазона (20-450 Гц) и фильтром выемки (60 Гц). Измеренные данные ЕМГ передаются на ПК напрямую.
- Роботизированная часть
2. Экспериментальная настройка
ПРИМЕЧАНИЕ: Два оценщика должны участвовать в этом эксперименте. В нашем случае первым оценщиком был физиотерапевт с более чем 6-летним опытом реабилитации, а вторым оценщиком был профессиональный терапевт с более чем 3-летним опытом в реабилитации инсульта.
-
Первоначальная настройка осанки
- Поместите пациента в кресло спиной в прямой позе.
- Безопасные обе стороны плеча и живота с ремнями безопасности, чтобы сохранить положение плеча стабильным на протяжении всего эксперимента.
- Поместите гемипаретическую руку субъекта слегка на робота manipulandum без крепления ремня.
- Отстегивайте блок фиксации линейного ползунка так, чтобы манжеты можно было свободно перемещать на ползунок и позволять гемикарпетической руке субъекта быть помещенной на манипуландуме робота без крепления ремней.
- Отрегулируйте высоту робота, используя лабораторный домкрат, пока плечо пациента не будет похищено на 90 градусов. Подтвердите угол похищения с помощью гониометра.
- Проинструктируйте предмет держать ручку и прикрепите руку к рукоятке ремнями. Выровняйте ось вращения робота и анатомическую ось локтевого сустава.
- Сгибайте и расширяйте локтевого сустава так, чтобы положение манжеты можно было естественным образом корректировать в оптимальном положении, не создавая сопротивления во время движения локтя. Затем закрепите блок фиксации, чтобы зафиксировать положение манжеты и закрепите ремни манжеты предплечья.
- Прикрепите поверхностные электроды ЭМГ на мышцу бицепса брачи в гемипаретической руке.
-
Пассивное измерение ПЗУ
ПРИМЕЧАНИЕ: Пассивный ПЗУ используется в качестве пограничного ПЗУ в следующих экспериментах для предотвращения проблем, вызванных перемещением за пределы диапазона операций пациента.- Ввиньи гемипаретическую боковую информацию пациента в ГУИ программы (справа или слева).
- Установите локоть 90 "согнуты с помощью гониометра. Нажмите кнопку 90 дег набор на панели GUI. Этот процесс соответствует углу, распознаемому роботом, с фактическим углом человеческого сустава.
- Нажмите кнопку готового набора на GUI, чтобы переключить робота в состояние активации.
- Нажмите кнопки на панели запуска двигателя на левой стороне графического интерфейса, чтобы сверху вниз.
- Включите кнопку Набора угла и установите скорость до 1 '/s. Затем нажмите кнопку "Запуск". Робот будет медленно расширять локоть на 1 "/с от 90" согнутой осанки до тех пор, пока крутящий момент реакции не достигнет определенного порогового уровня или не протянется на 170 градусов.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте порог крутящего момента был установлен на 0,6 Нм. Это значение определяется экспериментально с помощью экспериментального исследования. - Максимальный расширенный угол автоматически сохраняется в качестве максимального ПЗУ.
- Измените скорость до -1 '/s и нажмите кнопку запуска снова. Робот медленно сгибает локоть, пока крутящий момент реакции не достигнет порогового уровня.
- Максимальный сгибаемый угол автоматически сохраняется в качестве минимального диска.
3. Измерение МТС
ПРИМЕЧАНИЕ: Время, необходимое для каждого шага, отображается на рисунке 1. Общее время, затрачиваемые одним субъектом для выполнения всего эксперимента составляет около 50 минут (включая этап настройки эксперимента), но большую часть времени следует потратить на отдых, чтобы поддерживать последовательность усталости.
- Компенсация инерционного эффекта
ПРИМЕЧАНИЕ: Теоретически, не должно быть инерции эффект во время изокинетического движения. Однако в начале движения может быть эффект инерции. Инерциальная сила должна быть компенсирована для измерения только силы реакции, генерируемой рефлектоном растяжения. Поскольку величина инерциальной силы для каждого субъекта различна, предварительный тест на компенсацию инерционной силы должен быть выполнен до фактического измерения МТС. Пример результата отображается на рисунке 6.- Нажмите кнопку "Назад" на панели управления. Робот будет сгибать локоть до минимальной угловой осанки (максимально согнутая осанка).
- Установите скорость до 150 евро/с и включите кнопку теста Inertia, а затем кнопку Run. Робот будет применять короткие возмущения 5 "к пациенту в размере 150 "/s. Пик крутящего момента и значение периода каждого испытания автоматически укладываются и отображаются на панели GUI.
- Повторите шаги еще 3.1.2-3.1.3 два раза. Определите правильное значение пикового крутящего момента и значение периода из измеренных данных и введите значение на ГРАФИЧЕСКОм интерфейсе программы. Профиль крутящего момента компенсации (яп. ) автоматически генерируется на основе уравнения 1 ниже, где: a , представляет собой определенную амплитуду и представляет период.
ПРИМЕЧАНИЕ: Форма инерционного крутящего момента моделируется как приподнятая форма косина для уменьшения нагрузки расчета. Компенсационный крутящий момент, рассчитанный на два периода из-за эффекта инерции, практически исчезает после второго периода. Амплитуда второго периода рассчитана на 15% от первого периода.
- Этап ознакомления
- Перед фактическим экспериментом, выполнить три учебные операции, чтобы ознакомить пациента с резкими движениями.
- Нажмите кнопку "Назад" на панели. Робот будет сгибать локоть до минимального угла осанки.
- Нажмите кнопку «Запуск» после информирования объекта. Робот будет расширять локоть пациента со скоростью 150 "/с, пока угол не достигнет максимального угла или крутящий момент реакции не достигнет порогового уровня.
- Повторите шаги 3.2.2-3.2.3 еще два раза и возьмите 5 минут отдыха перед началом теста.
- Изокинетические измерения МТС
ПРИМЕЧАНИЕ: Изокинетические измерения МТС предназначены для реализации идеального состояния измерений МТС. Робот производит точное постоянное движение скорости на заданной скорости (150 градусов/с) до достижения максимального диска или до достижения определенного порога крутящего момента реакции. Максимальное значение ROM определяется в шаге 2.2, а значение порога крутящего момента определяется как 0,6 в ходе предыдущих экспериментальных исследований, что достаточно для обнаружения рефлекторов растяжения.- Нажмите кнопку "Назад", чтобы сгибать локоть до минимальной осанки угла.
- Нажмите кнопку Run, не информируя объект. Робот будет расширять локоть пациента со скоростью 150 "/с, пока угол не достигнет максимального угла или крутящий момент реакции не достигнет определенного порогового уровня. Во время теста сохраняются данные о времени, углу, крутящем моменте и триггерном сигнале.
- Возьмите 2 минутперерыв между наборами и повторить шаги 3.3.1-3.3.3 еще два раза.
- Отдохните 5 минут после выполнения трех сетов.
- Ручное измерение МТС
ПРИМЕЧАНИЕ: Ручное измерение МТС предназначено для имитации измерения МТС, обычно выполняемого на реальных медицинских объектах. Для сравнения результатов изокинетического МТС роботизированное устройство используется только в качестве инструмента количественного измерения, который устраняет погрешность измерения, а фактическая измерительная операция выполняется человеком-оценщиком. Для этого робот компенсирует только трение самого робота. Подробная информация об удалении трения находится в приложении.- Нажмите кнопку "Назад", чтобы сгибать локоть до минимальной осанки угла.
- Нажмите кнопку Free Run, и работа робота будет перейти в режим ручной работы.
- Держите ручку manipulandum и растянуть руку субъекта. Во время работы оценщик должен генерировать постоянную скорость 150 градусов/с.
- Выключите режим Free Run и возьмите перерыв на 2 минуты.
- Повторите шаги 3.4.1-3.4.4 еще два раза.
- Повторите измерение МТС
- Отдохните 10 минут после окончания всего эксперимента с первым оценщиком.
- Измените оценщик (на второй оценщик) и повторите шаги 3,3-3,4.
4. Количественная оценка AoC
ПРИМЕЧАНИЕ: AoC определяется на основе двух данных: ЭМГ и крутящего момента. AoC определяется ручным анализом из-за шумных характеристик данных ЕМГ и изменчивости индивидуальных характеристик. Выбор AoC осуществляется третьим оценщиком, который слеп к порядку оценщиков.
-
Изокинетический анализ данных эксперимента МТС
- Оценка AoC с использованием данных ЕМГ
ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, AoC определяется как угол, под которым происходит максимальное пиковое значение ЭМГ. Тем не менее, растянуть рефлектор продолжительность отличается для каждого пациента; таким образом, использование максимальной пиковой точки ЕМГ в качестве AoC, как ожидается, будет иметь низкую надежность. Разница во времени может быть не большой; однако ошибка AoC может быть значительной из-за быстрой скорости оценки метода МТС. Таким образом, угол в начале EMG точка подъема выбран атакжем.- Обработайте необработанные данные ЭМГ, используя квадрат корневой значок (RMS), чтобы сгладить данные и усилить их 50x.
- Синхронизируйте данные ЭМГ и данные угла робота с помощью триггерных сигналов каждого набора данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этой системе данные ЭМГ измеряются независимым устройством, в отличие от других данных; поэтому время ссылки может быть разным. Устройство EMG имеет функцию разметки прерывания триггера, которая получает сигнал триггера от процессора в режиме реального времени в начале оценки МТС. - Определите AoC вручную в качестве отправной точки подъема RMS EMG. Пример показан на рисунке 7.
ПРИМЕЧАНИЕ: RMS EMG из Lt;0.1 игнорируется здесь, потому что он появляется часто даже без рефлектора растяжения. Таким образом, в качестве AoC выбирается явная точка подъема в начале пика.
- Оценка AoC с использованием данных крутящего момента
ПРИМЕЧАНИЕ: Мышцы имеют пассивные механические характеристики, которые действуют как пружинно-демпперная система. Даже если мышца не оказывает никакой силы, сила реакции может увеличиться по мере растяжения мышц. Поскольку интенсивность пассивного механического свойства и рефлектор растяжения варьируется от пациента к пациенту, трудно определить улов, используя только абсолютное значение силы реакции. Вместо этого, в этом исследовании, улов определяется путем изменения пассивного свойства из-за спастичности, а не абсолютная ценность силы реакции. Изменение пассивного свойства определяется вручную изменением наклона регрессионной линии крутящего момента реакции.- Нарисуйте одну линию регрессии от точки, где сигнал триггера идет вверх и нарисуйте другую линию регрессии от точки, где сигнал триггера идет вниз.
- Сравните склоны двух регрессионных линий. Если градиенты двух регрессионных линий показывают существенную разницу, AoC может быть определен на пересечении двух линий регрессии. Пример показан на рисунке 8.
- Оценка AoC с использованием данных ЕМГ
-
Ручной анализ данных эксперимента МТС
ПРИМЕЧАНИЕ: В случае ручной МТС, трудно отделить силу, прилагаемую субъектом и что применяется оценщика, используя только один датчик крутящего момента. Таким образом, в случае ручного МТС, только анализ AoC с использованием данных EMG выполняется без выполнения анализа AoC с использованием данных крутящего момента.- Оценка AoC с использованием данных ЕМГ
ПРИМЕЧАНИЕ: Метод определения оценки AoC с использованием ЭМГ в основном такой же, как и для изокинетического случая МТС.- Обработайте необработанные данные ЭМГ с помощью метода RMS, чтобы сгладить данные и усилить их в 50 раз.
- Синхронизируйте данные ЭМГ и данные угла робота с помощью триггерных сигналов каждого набора данных.
- Определите AoC вручную в качестве отправной точки подъема RMS EMG. Пример показан на рисунке 9.
- Оценка AoC с использованием данных ЕМГ
5. Анализ данных
-
Нормализованный индекс движения оценки (НАМИ)
ПРИМЕЧАНИЕ: На AoC МТС могут влиять различные факторы движения, такие как скорость оценки, ускорение и т.д. Таким образом, движение оценки должно быть как изокинетическим, насколько это возможно. НАМИ предлагается оценить идеалность предложения об оценке. Предлагаемый индекс представляет собой немерный индекс, который может быть использован для оценки согласованности движения оценки, назначенного субъектам в каждом исследовании.- Рассчитайте ПЗУ, максимальную скорость и время оценки с каждого испытания оценки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Угол измеряется кодером; таким образом, расчетная скорость шумная. Таким образом, максимальная скорость определяется как максимальная скорость линии тренда, а не пиковая точка. - Рассчитайте значение НАМИ для каждого испытания в течение всего эксперимента с помощью Equation3:
Где: макс и мин представляют собой максимальные и минимальные углы, соответственно, измеренные в ходе эксперимента; Вопрос: max - это максимальная скорость оценки; ит - это общее время, затраченное на одну оценку. На рисунке 10 показан пример каждой переменной.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предлагаемый индекс дает балл, близкий к 1, если движение оценки близко к полностью изокинетическим и оценка близка к 0, если скорость движения несовместима.
- Рассчитайте ПЗУ, максимальную скорость и время оценки с каждого испытания оценки.
-
Статистический анализ
ПРИМЕЧАНИЕ: Все статистические анализы проводятся с использованием статистического пакета PASW (версия SPSS 18.0). Для определения надежности тест-тест-теста и межрейтингового коэффициента (ICC) используется метод коэффициента внутрикласса (ICC). Для расчета МЦК используются только результаты вторых и третьих тестов.- Чтобы проверить надежность тестирования, вычислите ICC из измеренных данных AoC и результата НАМИ.
- Для проверки надежности межрейтингов вычислите МЦК из средних данных AoC и НАМИ.
- Рассчитайте p-значение результатов AoC с помощью парных проб t-тестов для оценки различий между каждым оценщиком или каждой оценкой.
ПРИМЕЧАНИЕ: P-значения злт;0.05 считаются статистически значимыми. - Рассчитайте коэффициент корреляции Пирсона между AoC на основе критериев ЭМГ и критериев крутящего момента, чтобы проверить корреляцию между этими двумя методами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Надежность делится на четыре сорта в соответствии со значением ICC: очень отлично (0,90), отлично (0,75 л.с.; МЦК 0,90), справедливые к хорошим (0,40 л. ; МЦК 0,75) и бедные (0,0,40). Стандартная погрешность измерений (SEM) была рассчитана для определения компонента ошибки дисперсии. Наименьшая обнаруживаемая разница (SDD) была рассчитана на основе SEM тест-тестовых данных.
Нормализованный индекс движения оценки (НАМИ): оценка НАМИ во время изокинетического движения всегда была 1, что означает, что изокинетическое устройство всегда генерировало единую постоянную скорость ввода. Тем не менее, надежность тест-теста НАМИ во время ручного движения была плохой как для оценщика 1 (ICC (95% CI) - -0,035 -0,495-0,441) и оценщика 2 (ICC (95%CI) 0,438 (0,038-0,0.752). Кроме того, межтарифная надежность НАМИ при ручном движении также была низкой (МЦК (95% ДИ) 0,148 (-0,344-0,576). И наоборот, результаты двух человеческих оценщиков показали почти равные средние значения НАМИ (0,68 и 0,67 на каждого оценщика). Ошибка согласованности двух человеческих оценщиков была больше, чем у изокинетического устройства, показывая большую разницу между двумя оценщиками. Эти результаты показывают, что движение оценки человека оценщик не хватает изокинетических характеристик и что движение несовместимо в зависимости от субъекта.
Надежность тестирования: Таблица 2 показывает надежность тестирования для результатов AoC в трех условиях (изокинетическая-ЭМГ, изокинет-крутящий момент, ручной ЕМГ). Надежность тестирования для ручной МТС была отличной (ICC 0.804 и 0.840). Тем не менее, изокинетическое измерение МТС улучшило надежность тестирования до предельно отличного уровня как по ЭМГ, так и по критериям крутящего момента(таблица 2)
Надежность межтарифа: Таблица 3 показывает надежность между тарифами для производительности измерения AoC в трех условиях. МЦК интеррейтингового надежности ручной МТС составил0,788, что было вблизи нижнего предела отличной оценки. Изокинетическая МТС повысила надежность межрейтингового коэффициента до 0,890 на основе данных ЕМГ и МЦК 0,931 на основе данных крутящего момента.
Корреляция и согласованность сроков AoC между ЭМГ и критериями крутящего момента: два результата AoC, рассчитанные на основе данных ЕМГ и данных крутящего момента во время изокинетического МТС, показывают значительно высокую корреляцию в обоих оценщиках 1 (коэффициент корреляции Пирсона 0,937, стр. 0,001) и оценщик 2 (коэффициент корреляции Пирсона - 0,957 евро, стр. 0,001). Кроме того, время AoC между двумя результатами в строгом соответствии с МТП 1 (стр. 0,001).
Рисунок 1: Диаграмма потока эксперимента.
Эта цифра изменена из Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Isokinetic МТС тест овый робот.
(A) Конфигурация изокинетического робота устройства. (B) Внутренняя конфигурация устройства. Система управления включает в себя процессор в реальном времени и водителя двигателя. (B) ранее была опубликована Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Состав манипуландума.
Две манжеты для запястья и предплечья соединены с линейным ползунок через блок фиксации, что делает положение манжеты регулируемым. Ручка и ручной ремень переключаются слева направо. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Конфигурация системы управления.
Правые три блока показывают иерархию системы управления, а стрелки показывают поток данных между каждой единицей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Графический пользовательский интерфейс (GUI).
Левая сторона — панель контроллера, которая содержит различные кнопки или числовые элементы управления, необходимые для управления роботом. Правая сторона представляет собой панель мониторинга, которая показывает угол, крутящий момент взаимодействия и сигнал акневочного сигнала в режиме реального времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: Пример компенсации инерционного эффекта.
Зеленая линия указывает на сырой крутящий момент; синяя пунктирная линия указывает на инерционную модель силы; и красная линия указывает на инерционный результат компенсации крутящего момента. Эта цифра была ранее опубликована Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7: Пример оценки AoC с использованием данных ЕМГ (изокинетическое дело МТС).
Значение RMS EMG менее 0,1 считается нормальным. Проводится отбор отправной точки четкой точки подъема ЭМГ, а значение угла в это время определяется как AoC. Эта цифра была ранее опубликована Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 8: Пример оценки AoC с использованием данных крутящего момента (изокинетический случай МТС).
Оценка включает в себя следующие шаги: нарисовать две линии, соединяющие крутящий момент отправной точки оценки и конечную точку с произвольными данными крутящего момента, соответственно; найти точку, где две линии становятся регрессионной линией данных крутящего момента до и после выбранной точки; если есть существенная разница между градиентом двух линий регрессии, считается, что рефлектор нарастает в этой точке. Эта цифра была ранее опубликована Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 9: Пример оценки AoC с использованием данных ЕМГ (ручной случай МТС).
Как это делается в изокинетическом случае(рисунок 7), AoC определяется как угол, когда происходит четкий всплеск ЕМГ. Эта цифра была ранее опубликована Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 10: Переменные для нормализованного индекса движения оценки (НАМИ).
Интуитивно значение НАМИ представляет собой отношение области под графиком скорости к области серого ящика. Больше изокинетических движений показывают значения ближе к 1. Эта цифра ранее опубликована Sin et al.10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Переменной | Результат |
| Возраст, годы, средний (SD) | 54.6 (12.2) |
| Гендер, n (%) | |
| Мужчин | 14 (82.4) |
| Женщин | 3 (17,6)) |
| Дни начала инсульта, медиана (I'R) | 722 (1226) |
| Гемиплегическая сторона, n (%) | |
| Правильно | 10 (58.8) |
| Левой | 7 (41.2) |
| Тип хода, n (%) | |
| Ишемической | 11 (64.7) |
| Геморрагические | 6 (35.3) |
| Инсульт, n (%) | |
| Корковых | 4 (23.5) |
| Подкорковых | 13 (76.5) |
| Бруннстром этапе, медиана (I'R) | |
| Руку | 4 (1) |
| Руку | 3 (1) |
| Ногу | 4 (1) |
| Мощность мышц, медиана (I'R) | |
| Сгибатель локтевого сустава | 4 (1) |
| Локоть разгибатель | 4 (1) |
| MAS, сгибатель локтевого сустава, n (%) | |
| 1 | 7 (41.2) |
| 1 " | 5 (29.4) |
| 2 | 5 (29.4) |
Таблица 1: Субъекты демографические и базовые характеристики.
| Тест | Проверьте | P | Sem | Sdd | ICC (2,1) (95% CI) | |
| Средний (SD) | Средний (SD) | |||||
| Ратер 1 | ||||||
| Изокинетическое движение с ЭМГ | 93.74 (28.35) | 90.93 (25.44) | 0,216 | 12.12 | 33.59 Для того, чтобы | 0.948 (0.857-0.981) |
| Изокинетическое движение с крутящего момента | 90.30 (27.93) | 89.61 (27.25) | 0,201 | 3.02 Для | 8.37 | 0,997 (0,992-0,996) |
| Ручное движение с ЭМГ | 82.67 (19.11) | 82.03 (21.73) | 0,838 | 17.21 | 47,7 | 0.804 (0.538-0924) |
| Ратер 2 | ||||||
| Изокинетическое движение с ЭМГ | 90.77 (28.69) | 88.14 (28.34) | 0,123 | 15.1 | 41.86 Г. | 0.929 (0.929-0.991) |
| Изокинетическое движение с крутящего момента | 97.06 (23.47) | 94.37 (25.86) | 0,192 | 9.9 9.9 | 27.44 До 14.04.2018 | 0,959 (0,873-0,987) |
| Ручное движение с ЭМГ | 80.96 (21.30) | 80.46 (22.81) | 0,875 | 16.94 | 46,96 | 0.840 (0.601-0.941) |
Таблица 2: Результаты тестирования надежности для угла улова, измеренного с изокинетическими роботизированными устройствами и роботизированными устройствами с ручным движением.
Эта таблица была опубликована Sin et al.10 (p-значения рассчитываются по парному образцу t-test). SEM: стандартная погрешность измерения, SDD: наименьшая обнаруживаемая разница, ICC: коэффициент корреляции внутрикласса, ЭМГ: электромиография.
| Ратер 1 | Ратер 2 | P | Sem | ICC (2,1) (95% CI) | |
| Средний (SD) | Средний (SD) | ||||
| Изокинетическое движение с ЭМГ | 88.16 (28.24) | 89.46 (28.33) | 0,973 | 17.81 | 0,890 (0,685-0,961) |
| Изокинетическое движение с крутящего момента | 94.32 (240.13) | 95.71 (24.44) | 0,775 | 12.54 | 0.931 (0.791-0.978) |
| Ручное движение с ЭМГ | 80.81 (18.98) | 80.71 (21.17) | 0,586 | 17.5 | 0,788 (0,493-0,920) |
Таблица 3: Результаты надежности межтарифа для угла улова, измеренного с помощью изокинетических роботизированных устройств и роботизированных устройств с ручным движением.
Эта таблица была опубликована Sin et al.10 (p-значения рассчитываются по парному образцу t-test). SEM: стандартная погрешность измерения, МЦК: коэффициент внутриклассовой корреляции, ЭМГ: электромиография.
Приложение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом исследовании была предпринята попытка стандартизировать измерение МТС с помощью роботизированного изокинетического устройства. Было исследовано, как согласованность движения оценки влияет на результаты измерения МТС.
Было предложено значение НАМИ, отражающее степень изменчивости движения за оценку. Как и ожидалось, в отличие от изокинетического метода движения без изменчивости, ручной метод показал изменчивость между тестами и между оценщиками, что приводит к низкой надежности, что согласуется с результатами предыдущих исследований7,8 . Результаты по надежности измерений AoC показывают, что изокинетическое движение само по себе может повысить надежность interrater, по сравнению с ручным движением. Хотя, были опасения относительно менее растянуть рефлекторные провокации изокинетического движения11,12, субъекты в этом исследовании с мягким локоть сгибателя спастичность (MAS 1, 1 ", 2) показали последовательные рефлекторы изизмерены поверхности ЭМГ во время изокинетического движения. Это свидетельствует о том, что изокинетическое устройство может быть использовано для измерения AoC надежно, даже у пациентов с мягкой спастичностью локтя. AoC также был рассчитан по критериям крутящего момента в этом исследовании. Интересно, что AoC измеряется с помощью как ЭМГ и крутящий момент критерии показали высокую корреляцию, в то время как критерии крутящего момента только показали более высокую надежность межрейтингов, которая согласуется с результатами, предоставляемыми Линн и др.13. Таким образом, оценка спастики с использованием критериев крутящего момента, как ожидается, будет лучшим методом в отношении надежности и удобства.
Этот новый подход к количественной оценке измерений МТС имеет некоторые проблемы и ограничения. Во-первых, осанка во время измерений AoC в этом исследовании отличалась от обычных измерений МТС14. Обычная МТС была выполнена в отсутствие похищения плеча; в отличие от этого исследования, измерения были выполнены с плечом похищены 90 градусов. Однако цель этого исследования заключалась в проверке влияния последовательности движения за оценку на надежность АОк. Поза, используемая в этом эксперименте, позволяет легко измерить AoC с помощью данных крутящего момента, устраняя влияние веса предплечья, который трудно измерить отдельно. Таким образом, этот эксперимент дает представление о том, как движение оценки влияет на надежность измерений AoC.
Во-вторых, измерение AoC с использованием критериев крутящего момента и ЭМГ было выполнено субъективно. Тем не менее, это было проведено третьим rater, который был слеп к предметной информации и порядка оценщиков, чтобы свести к минимуму потенциальные предубеждения. В-третьих, увеличение крутящего момента реакции из-за пассивных механических свойств было неожиданным при проектировании эксперимента изначально. Ожидалось, что реакция крутящий момент в основном вызвано стрейч-рефлекс; однако, у пациентов с легкой спастичностью, многие случаи показали, что реакция крутящего момента, вызванного пассивной жесткости была доминирующей. Таким образом, AoC был получен с помощью постэкспериментального анализа данных, а не в режиме реального времени идентификации. Наконец, было расслабление сгибателя локтя во время повторяющихся пассивного растяжения. Эксперимент был разработан, чтобы включить достаточное время отдыха, чтобы предотвратить усталость на протяжении всего эксперимента, и ни один субъект не жаловался на усталость. Тем не менее, трудно предотвратить расслабление мышц из-за повторяющихся пассивного растяжения. Чтобы уменьшить это воздействие, эксперимент был разработан для рандомизации порядка оценщиков, и результаты не показали существенного явления релаксации между двумя оценщиками.
Цель этого исследования заключалась в совершенствовании методов оценки, которые опираются на субъективное чувство оценщика и присваивают их к более объективным и количественным стандартам. Результаты показывают возможность повышения надежности оценки с помощью роботизированного устройства. Тем не менее, метод, выполненный в этом исследовании, только наполовину автоматизирован, потому что оценка AoC делается человеком. Ожидается, что дальнейшие исследования позволят проводить оценку спастики в режиме реального времени с высокой надежностью и объективностью.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Все авторы не заявляют о конфликте интересов.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Сеульским национальным университетом Bundang больницы исследовательский фонд (14-2014 - 035) и Кореи и Национального исследовательского фонда Кореи (NRF) Грант финансируется корейским правительством (A100249). Мы хотели бы поблагодарить Со Хён Пак и Хэ Э Ким за помощь в подготовке и продолжении съемки видео.
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).
