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Research Article
Corey Landis1, Margaret E. O'Neil2,3, Andrew Finnegan2,3, Patricia A. Shewokis1,3,4
1School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems,Drexel University, 2Department of Physical Therapy and Rehabilitation Sciences,Drexel University, 3College of Nursing and Health Professions,Drexel University, 4Department of Nutrition Sciences,Drexel University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este protocolo describe un método para calcular la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) a partir de formas de onda de electrocardiograma (ECG). Las formas de onda de las grabaciones de frecuencia cardíaca continua (HR) durante las sesiones de videojuegos activos (AVG) se utilizaron para medir el rendimiento aeróbico de los jóvenes con parálisis cerebral (CP).
El objetivo de este estudio fue generar un método para calcular la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) a partir de formas de onda de electrocardiograma (ECG). Las formas de onda fueron grabadas por un monitor de RRHH que los participantes (jóvenes con parálisis cerebral (CP)) usaron durante las sesiones de videojuegos activos (AVG). Las sesiones avg fueron diseñadas para promover la actividad física y la aptitud (rendimiento aeróbico) en los participantes. El objetivo era evaluar la viabilidad de los AVG como una estrategia de intervención de fisioterapia (PT). El HR máximo (mHR) se determinó para cada participante y se calculó la Zona de Frecuencia Cardíaca Objetivo (THRZ) para cada una de las tres fases de ejercicio en la sesión AVG de 20 minutos: (calentamiento a 40-60% mHR, acondicionamiento a 60-80% mHR, y enfriamiento a 40-60% mHR). Cada participante jugó tres juegos de 20 minutos durante la sesión AVG. Todos los juegos se jugaron mientras estaban sentados en un banco porque muchos jóvenes con CP no pueden soportar largos períodos de tiempo. Cada condición del juego difería con los participantes usando iconos de mano solamente, iconos de manos y pies juntos o iconos de pies sólo para recoger objetos. El objetivo del juego (llamado KOLLECT) es recoger objetos para ganar puntos y evitar peligros para no perder puntos. Los peligros se utilizaron en las fases de calentamiento y enfriamiento sólo para promover un movimiento más lento y controlado para mantener el HR en la zona de frecuencia cardíaca objetivo (THRZ). No hubo peligros en la fase de acondicionamiento para promover niveles más altos y una actividad física más intensa. Se utilizaron métodos analíticos para generar HRV (medidas seleccionadas de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia) a partir de datos de ECG para examinar la carga de trabajo aeróbica. Las aplicaciones recientes de hrV indican que las mediciones a corto plazo (5 min bouts) son apropiadas y que la biorretroalimentación de VDH puede ayudar a mejorar los síntomas y la calidad de vida en una variedad de condiciones de salud. Aunque la RRHH es una medida clínica bien aceptada para examinar el rendimiento aeróbico y la intensidad en las intervenciones de PT, el VDH puede proporcionar información sobre las funciones del sistema autónomo, la recuperación y la adaptación durante las sesiones de AVG.
La parálisis cerebral (CP) es la discapacidad física más común de la infancia1. CP es causado por un insulto neurológico al cerebro en desarrollo y se asocia con deficiencias motoras como debilidad muscular, espasticidad, descondicionamiento, y disminución del control motor y equilibrio2,3. La CP es una condición no progresiva, pero con la edad, los niños se vuelven menos activos físicamente y más sedentarios en comparación con sus compañeros con desarrollo típico (TD) principalmente debido al aumento de las demandas de crecimiento en su compromiso neuromuscular y sistemas musculoesqueléticos4.
Los jóvenes con CP suelen recibir servicios de fisioterapia (PT) para mejorar la movilidad funcional y promover la actividad física y la aptitud (por ejemplo, resistencia aeróbica y muscular)2. A menudo, hay un acceso limitado a los servicios dePT y recursos comunitarios para alcanzar y mantener estos objetivos de PT 5,6. Los videojuegos activos (AVG) pueden ser una estrategia factible en intervenciones de PT basadas en actividades en entornos clínicos, domésticos o comunitarios7,8. Los AVG comerciales tienen una flexibilidad limitada para adaptar el juego ysatisfacer las necesidades específicas y los objetivos de PT para los jóvenes con CP 9. Sin embargo, los AVG personalizados proporcionan parámetros de juego flexibles para desafiar a los jóvenes con CP mientras promueven la actividad física y la aptitud10.
Nuestro equipo ha desarrollado un AVG personalizado (llamado KOLLECT) para examinar las respuestas de ejercicio de los jóvenes (por ejemplo, actividad física y fitness aeróbico). El juego utiliza un sensor de movimiento para realizar un seguimiento del movimiento juvenil durante el juego. El objetivo del juego es 'recoger' tantos objetos como sea posible para una puntuación alta y evitar los peligros para evitar la pérdida de puntos. Los objetos se pueden recoger con iconos de manos y/o pies según lo determine el terapeuta en los parámetros flexibles del juego.
Diseñar intervenciones de PT basadas en actividades que dosifiquen la intensidad de la actividad física para promover la aptitud aeróbica es fundamental para los jóvenes con CP11. Los AVG personalizados pueden ser una estrategia eficaz para la intensidad de la dosis e involucrar a los jóvenes en la actividad física para promover la aptitud10. Los monitores de frecuencia cardíaca (HR) se utilizan a menudo en la práctica clínica de PT para determinar el rendimiento aeróbico y la intensidad de la actividad. Por lo tanto, los monitores de RRHH ayudarán a determinar la viabilidad de los AVGs en la dosificación de la intensidad de la actividad física para promover la aptitud aeróbica9. Los datos de ECG generados a partir de un monitor de HR se pueden utilizar para calcular la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV). Se utilizaron métodos analíticos para generar HRV a partir de datos de ECG para examinar la carga de trabajo aeróbica. Las aplicaciones recientes de la VFC indican que las mediciones a corto plazo (5 min bouts) son adecuadas y que la biorretroalimentación de VDH puede ayudar a mejorar los síntomas y la calidad de vida en una variedad de condiciones de salud32,33,34 . La aplicación de medidas de VDH a corto plazo es un medio adecuado para evaluar la función cardiovascular durante las sesiones de AVG. Dado que el VDH se deriva del intervalo R-R de un ECG, utilizamos medidas seleccionadas de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia. La medida de dominio de tiempo de HRV cuantifica la cantidad de variablility en los intervalos interbeats, que representa el tiempo entre latidos sucesivos. Usamos el AVNN (intervalo NN promedio), RMSSD (cuadrado medio raíz de diferencias sucesivas), SDNN (desviación estándar del intervalo NN), NN50 (número de intervalos NN >50 ms) y PNN50 (porcentaje de intervalos NN). Las medidas de dominio de frecuencia estiman la distribución de potencia absoluta o relativa en posiblemente cuatro bandas de frecuencia, abordamos específicamente en dos bandas, la potencia de baja frecuencia (LF) y la potencia de alta frecuencia (HF) junto con la relación LF/HF. Aunque la RRHH es una medida clínica bien aceptada, el VDH puede ser útil porque proporciona información sobre la función del sistema autónomo, la recuperación, la adaptación y proporciona una estimación de la carga de trabajo aeróbica durante una sesión28de AVG.
El propósito de este estudio fue examinar la viabilidad de utilizar estrategias AVG para promover la actividad física y la aptitud física. Un segundo propósito era presentar el protocolo de recopilación de datos AVG y la metodología para calcular la VDH a partir de los datos de ECG obtenidos a través de un monitor de recursos humanos. Estas medidas y este protocolo pueden resultar relevantes para los médicos para monitorear y dosis de sesiones de intervención de PT.
Se obtuvo la aprobación de la Junta de Revisión Institucional. Todos los jóvenes proporcionaron consentimiento por escrito y los padres proporcionaron su consentimiento antes de la participación.
1. Sesiones de recopilación de datos AVG
(1)
umbral como pero esto se puede aumentar en el programa si los datos son uniformes para reducir la detección de falsos positivos de los picos T que son más altos que sus picos R correspondientes. Ejemplos de estos falsos positivos se pueden ver en la Figura1.
RMSSD (2)2. Adquirir datos de ECG del paciente
3. Análisis de datos y cálculo de medidas de variabilidad de la frecuencia cardíaca
Este método proporciona datos para su uso en el análisis del efecto que un método recién desarrollado tiene en la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) del sujeto. Para ello, localiza la parte R de la forma de onda QRS de los datos ECG de un sujeto, como se muestra en la Figura6, y calculando varios valores de HRV a partir de él. Si el monitor de recursos humanos está haciendo un contacto adecuado con el sujeto, los datos serán uniformes, reduciendo sustancialmente la necesidad de correcciones (como se ve en la Figura 4).
Los umbrales deben establecerse para manejar datos irregulares e irregulares como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2. Si los datos son suficientemente variables debido a cambios momentáneos en el contacto con la piel del monitor HR, el análisis inicial puede etiquetar incorrectamente los picos como se muestra en la Figura3. Este error se puede corregir corrigiendo manualmente los valores o introduciendo puntos de datos adicionales como se explica en la Sección 3 del protocolo. Alterar los niveles de umbral y el tiempo mínimo entre picos también puede ayudar a limpiar los valores de detección y producir una gráfica ajustada como la Figura 6 de la Figura5.
Una vez que los datos se han obtenido y analizado en busca de discrepancias, se pueden utilizar para calcular los valores de HRV para el análisis estadístico. El análisis de los datos del ECG puede utilizarse para cuantificar las observaciones realizadas durante las sesiones con fines de evaluación.

Figura 1 . Gráfico representativo de HR continuo (eje y) en el tiempo (eje x en s) para el tema uno juego 3 durante la sesión de calentamiento que representa los datos "desordenados". Datos desordenados: En esta sección, los picos R son más pequeños que la parte T de la forma de onda. Esto puede causar problemas con la detección de picos.

Figura 2 . Un ejemplo de algunos patrones de forma de onda irregulares de electrocardiograma (ECG). Patrones de forma de onda irregulares: Los cambios en el contacto con el sujeto debido al movimiento pueden causar variaciones de voltaje reduciendo la uniformidad de la forma de onda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 . Un ejemplo de una salida de electrocardiograma (ECG) con un pico de nivel HR etiquetado incorrectamente pico etiquetado. Cerca de la parte superior de la figura, un pico de tensión hace que parte de la forma de onda se detecte como que coincide con el patrón R. También puede hacer que los patrones R cercanos sean ignorados debido a la proximidad, como el resaltado en (9924, 2074).

Figura 4 . Gráfico representativo de HR continuo (eje Y) en v) a través del tiempo (eje x en s) forma de onda de electrocardiograma limpio (ECG). Forma de onda limpia: Un ejemplo de una sección de datos ECG uniformes con una forma de onda y un nivel de voltaje relativamente uniformes.

Figura 5 . Gráfico representativo de HR continuo (eje Y) en v) a través del tiempo (eje x en s) de un electrocardiograma en bruto (ECG) antes de la limpieza. Datos antes de la limpieza: Se muestra un segmento de 30 s de datos ECG del Sujeto 01 Juego 3 durante la fase de acondicionamiento. Algunos picos se han perdido y algunos están etiquetados incorrectamente debido a la variabilidad de alto voltaje. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6 . Gráfico representativo de HR continuo (eje Y) en v) a través del tiempo (eje x en s) de un electrocardiograma en bruto (ECG) después del aprendizaje. Limpieza de datos posterior: Los mismos 30 segundos de datos eclosión del sujeto 01 Juego 3 después de que se hayan etiquetado correctamente como se describe en la Sección 3 del protocolo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Fase | hora | Zona THR | Características del juego |
| Descansando | 5 min | Descanso de línea base | Na |
| Calentamiento | 5 min | 40-60% mHR | 4 objetos + 4 peligros; velocidad más lenta |
| Acondicionado | 10 min | 60-80% mHR | 8 objetos + 0 peligros; velocidad más rápida |
| Enfriamiento | 5 min | 40-60% mHR | 4 objetos + 4 peligros; velocidad más lenta |
| Recuperación | 5 min | Descanso de línea base | Na |
| CLAVE: THR - Frecuencia cardíaca objetivo; NA - No aplicable |
Tabla 1. Fases de juego de videojuegos activos (AVG). CLAVE: Frecuencia cardíaca objetivo (THR); NA (No aplicable).
| Asunto | Avg | Juego | Inicio de calentamiento | Inicio del acondicionamiento | Inicio del enfriamiento | Inicio de la recuperación |
| (MM/DD/AAAA) | (MM/DD/AAAA) | (MM/DD/AAAA) | (MM/DD/AAAA) | |||
| (HH:MM:SS) | (HH:MM:SS) | (HH:MM:SS) | (HH:MM:SS) | |||
| 1 | 4 | 1 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 |
| 1 | 4 | 1 | 16:33:53 | 16:39:03 | 16:49:04 | 16:54:09 |
| 1 | 4 | 2 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 |
| 1 | 4 | 2 | 17:27:47 | 17:32:57 | 17:43:01 | 17:48:03 |
| 1 | 4 | 3 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 |
| 1 | 4 | 3 | 18:25:22 | 18:30:33 | 18:40:35 | 18:45:38 |
| 2 | 4 | 1 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 |
| 2 | 4 | 1 | 11:59:19 | 12:04:29 | 12:14:36 | 12:19:50 |
| 2 | 4 | 2 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 |
| 2 | 4 | 2 | 12:40:25 | 12:45:37 | 12:55:44 | 13:00:53 |
| 2 | 4 | 3 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 |
| 2 | 4 | 3 | 13:19:57 | 13:25:02 | 13:35:04 | 13:40:11 |
| 3 | 4 | 1 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 |
| 3 | 4 | 1 | 17:08:10 | 17:13:20 | 17:23:21 | 17:28:28 |
| 3 | 4 | 2 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 |
| 3 | 4 | 2 | 17:59:46 | 18:04:48 | 18:14:54 | 18:19:55 |
| 3 | 4 | 3 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 |
| 3 | 4 | 3 | 18:42:03 | 18:47:03 | 18:57:04 | 19:02:02 |
Cuadro 2. Timing File KEY: AVG - Videojuego activo
| ID_AVG_Game | AVNN (s) | HR medio (bpm) | RMSSD (ms) | SDNN (ms) | NN50 | pNN50 (%) | LF / HF (ECG) | LF / HF (RR) | LFP (RR) | HFP (RR) |
| 03_AVG4_G1_Rest | 719.875 | 83.347 | 29.827 | 55.604 | 35 | 8.393 | 1.328 | 0.602 | 0.123 | 0.204 |
| 03_AVG4_G1_WU | 656.373 | 91.411 | 26.52 | 50.372 | 28 | 5.932 | 1.288 | 0.675 | 0.125 | 0.185 |
| 03_AVG4_G1_Con 1 -5 | 557.772 | 107.57 | 20.651 | 43.932 | 4 | 0.743 | 1.187 | 0.76 | 0.119 | 0.157 |
| 03_AVG4_G1_Con 6 10 | 532.483 | 112.679 | 27.771 | 33.481 | 9 | 1.599 | 1.244 | 0.809 | 0.118 | 0.146 |
| 03_AVG4_G1_Con 2 - 7 | 538.546 | 111.41 | 20.389 | 34.351 | 6 | 1.077 | 1.198 | 0.819 | 0.118 | 0.144 |
| 03_AVG4_G1_Con 3 - 8 | 530.761 | 113.045 | 27.756 | 34.26 | 8 | 1.413 | 1.192 | 0.826 | 0.118 | 0.143 |
| 03_AVG4_G1_Cool | 597.019 | 100.499 | 31.806 | 41.96 | 16 | 3.181 | 1.281 | 0.712 | 0.120 | 0.169 |
| 03_AVG4_G1_Recovery | 665.511 | 90.156 | 42.136 | 70.698 | 57 | 12.639 | 1.301 | 0.636 | 0.122 | 0.191 |
| AVNN - Intervalo nN promedio; HR medio - Frecuencia cardíaca media; RMSSD - Cuadrado medio raíz de las diferencias sucesivas; SDNN - Desviación estándar del intervalo NN; NN50 - Número de intervalos NN > 50 ms; pNN50 - % de intervalos NN > 50 ms; LF - Potencia de baja frecuencia; HF - Potencia de alta frecuencia; LF/HF - Baja Frecuencia - Relación de alta frecuencia. bpm - latidos por minuto; ms á milisegundos; ECG - Electrocardiograma - que contiene el complejo QRS; RR - donde R es un punto asociado con un pico del complejo QRS de la onda ECG y RR es el intervalo entre los puntos R sucesivos; |
Cuadro 3. Datos de variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) para el sujeto 03 Juego 01
Cuadro 4. Estadísticas descriptivas de las medidas de variabilidad de la frecuencia cardíaca para varias fases de ejercicio para cada juego Por favor, haga clic aquí para descargar esta tabla.
| Género | Nivel GMFCS | Diagnóstico clínico | Trastorno del movimiento | Lado dominante | Altura (cm) | Peso (kg) | IMC (kg/m2) | Percentil de IMC |
| Chico | 2 | Diplegia | Distonía | Correcto | 161.20 | 47.60 | 18.32 | 17.00 |
| Chico | 3 | Diplegia | Espasticidad | Izquierda | 141.17 | 49.20 | 24.70 | 95.00 |
| Chico | 2 | hemiplejia izquierda | Espasticidad | Correcto | 165.80 | 50.50 | 18.40 | 13.00 |
| Chico | 3 | Diplegia | Espasticidad | Correcto | 154.30 | 57.00 | 23.90 | 83.00 |
| Chica | 2 | hemiplejia izquierda | Espasticidad | Correcto | 161.20 | 60.30 | 22.86 | 71.00 |
| Chica | 2 | hemiplejia izquierda | Espasticidad | Correcto | 146.40 | 40.80 | 19.00 | 30.00 |
| Chica | 2 | hemiplejia derecha | Espasticidad | Izquierda | 154.60 | 64.00 | 26.80 | 85.00 |
| Chica | 3 | hemiplejia izquierda | Espasticidad | Correcto | 166.10 | 61.20 | 22.20 | 42.00 |
| Chico | 2 | hemiplejia izquierda | Espasticidad | Correcto | 168.10 | 49.70 | 17.60 | 51.00 |
| Chico | 3 | Diplegia | Espasticidad | Correcto | 135.00 | 29.80 | 16.00 | 43.00 |
| CLAVE: GMFCS- Sistema de Clasificación de La Función Motora Bruta; IMC- Índice de Masa Corporal |
Tabla 5. Demografía de los pacientes
En este momento, los autores (CL y PAS) no tienen nada que revelar. El Dr. O'Neil es cofundador de enAbleGames, LLC y Kollect es uno de los juegos ofrecidos por esta compañía basada en la web. enAbleGames está en fase de desarrollo de juegos y no es una empresa pública en este momento (www.enAbleGames.com).
Este protocolo describe un método para calcular la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) a partir de formas de onda de electrocardiograma (ECG). Las formas de onda de las grabaciones de frecuencia cardíaca continua (HR) durante las sesiones de videojuegos activos (AVG) se utilizaron para medir el rendimiento aeróbico de los jóvenes con parálisis cerebral (CP).
Los autores agradecen a los participantes y a sus familias su tiempo y esfuerzo gastado según la participación en el estudio. Además, los autores reconocen al Dr. Yichuan Liu y al Dr. Hasan Ayaz por su asistencia en el cálculo de los plazos de la supervisión de los recursos humanos y al Dr. Paul Diefenbach para el desarrollo del software KOLLECT Active Video Gaming. La financiación de este trabajo fue proporcionadapor Coulter Foundation Grants #00006143 (O' Neil; Diefenbach, PIs) y#00008819 (O' Neil; Diefenbach, PIs).
| Módulo Bluetooth BioHarness (sensor electrónico) | Zephyr | 9800.0189 | detecta la frecuencia cardíaca, la tasa de resición, la postura y la temperatura de la piel. |
| Correa de pecho BioHarness | Zephyr | 9600.0189, 9600.0190 | Tallas XS-M pequeña, M-XL grande Cuna |
| carga BioHarness & Cable USB | Zephyr | 9600.0257 | utilizado para transferir datos del módulo a una computadora para su análisis. |
| BioHarness Echo Gateway | Zephyr | 9600.0254 | permite la visualización en tiempo real de la frecuencia cardíaca del sujeto. |
| MATLAB R2016a | Mathworks | 1.7.0_.60 | utilizado para toda la programación. |