מאמר שיטה

הגדרה להערכה כמותית של תנועה ופעילות שרירים במהלך מבחן קופסה ובלוק וירטואלי שונה

DOI:

10.3791/65736

⸱

12 בינואר 2024

 ,  ,  ,  , 
1Department of Neuroscience, West Virginia University, 2Department of Human Performance, West Virginia University, 3Department of Biomedical Engineering, West Virginia University

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הפרוטוקול המתואר כאן נועד לשפר את ההערכה הכמותית של ליקויים בגפיים העליונות, במטרה לפתח טכנולוגיה נוספת להערכה מרחוק הן במרפאה והן בבית. טכנולוגיות מציאות מדומה וביוסנסורים משולבות עם טכניקות קליניות סטנדרטיות כדי לספק תובנות לגבי תפקוד המערכת העצבית-שרירית.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

היכולת לנוע מאפשרת לנו לתקשר עם העולם. כאשר יכולת זו נפגעת, היא עלולה לפגוע משמעותית באיכות החיים ובעצמאות ועלולה להוביל לסיבוכים. החשיבות של הערכה ושיקום מרחוק של מטופלים גדלה לאחרונה בשל גישה מוגבלת לשירותים פנים אל פנים. לדוגמה, מגפת COVID-19 הביאה באופן בלתי צפוי לתקנות מחמירות, וצמצמה את הגישה לשירותי בריאות שאינם חירום. בנוסף, טיפול מרחוק מציע הזדמנות לטפל בפערי בריאות באזורים כפריים, אזורים עם הכנסה חלשה והכנסה נמוכה, שבהם הגישה לשירותים נותרה מוגבלת.

שיפור הנגישות באמצעות אפשרויות טיפול מרחוק יגביל את מספר ביקורי בית החולים או המומחים ויהפוך את הטיפול השגרתי לזול יותר. לבסוף, השימוש במוצרי צריכה אלקטרוניים מסחריים זמינים לטיפול בבית יכול לשפר את תוצאות המטופלים הודות לתצפית כמותית משופרת על תסמינים, יעילות הטיפול ומינון הטיפול. בעוד טיפול מרחוק הוא אמצעי מבטיח לטיפול בבעיות אלה, יש צורך מכריע לאפיין כמותית ליקוי מוטורי עבור יישומים כאלה. הפרוטוקול הבא מבקש להתמודד עם פער הידע הזה כדי לאפשר לקלינאים ולחוקרים לקבל נתונים ברזולוציה גבוהה על תנועה מורכבת ופעילות שרירים בסיסית. המטרה הסופית היא לפתח פרוטוקול לניהול מרחוק של בדיקות קליניות פונקציונליות.

כאן, המשתתפים הונחו לבצע מטלת Box and Block (BBT) בהשראת רפואה, המשמשת לעתים קרובות להערכת תפקוד היד. משימה זו דורשת מהנבדקים להעביר קוביות סטנדרטיות בין שני תאים המופרדים על ידי מחסום. יישמנו BBT שונה במציאות מדומה כדי להדגים את הפוטנציאל של פיתוח פרוטוקולי הערכה מרחוק. הפעלת השרירים נלכדה עבור כל נבדק באמצעות אלקטרומיוגרפיה של פני השטח. פרוטוקול זה איפשר קבלת נתונים איכותיים כדי לאפיין טוב יותר את הפגיעה בתנועה באופן מפורט וכמותי. בסופו של דבר, לנתונים אלה יש פוטנציאל לשמש לפיתוח פרוטוקולים לשיקום וירטואלי וניטור מטופלים מרחוק.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תנועה היא הדרך שבה אנו מתקשרים עם העולם. בעוד פעילויות יומיומיות כגון הרמת מים או הליכה לעבודה עשויות להיראות פשוטות, אפילו תנועות אלה מסתמכות על איתות מורכב בין מערכת העצבים המרכזית, השרירים והגפיים1. לפיכך, עצמאות אישית ואיכות חיים נמצאים בקורלציה גבוהה לרמת תפקוד הגפיים של הפרט 2,3. נזק נוירולוגי, כמו פגיעה בחוט השדרה (SCI) או פגיעה עצבית היקפית, יכול לגרום לליקויים מוטוריים קבועים, ובכך להפחית את היכולת לבצע אפילו פעולות פשוטות של חיי היומיום 4,5. על פי המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ, מעל 100 מיליון אנשים בארצות הברית חווים ליקויים מוטוריים, עם שבץ כאחד הגורמים המובילים 6,7,8. בשל אופיין של פציעות אלה, מטופלים זקוקים לעתים קרובות לטיפול ממושך שבו הערכה מוטורית כמותית וטיפול מרחוק עשויים להועיל.

שיטות העבודה הנוכחיות לטיפול בהפרעות תנועה דורשות לעתים קרובות הערכה קלינית ראשונית ומתמשכת של התפקוד באמצעות תצפית על ידי מומחים מיומנים כגון פיזיותרפיסטים או מרפאים בעיסוק. בדיקות קליניות מתוקפות סטנדרטיות דורשות לעתים קרובות אנשי מקצוע מיומנים לנהל אותן, עם אילוצי זמן ספציפיים וניקוד סובייקטיבי של תנועות מוגדרות מראש או משימות תפקודיות. עם זאת, גם אצל אנשים בריאים, תנועות זהות יכולות להתבצע עם שילובים משתנים של זוויות מפרקים. מושג זה נקרא יתירות שרירים ושלד.

בדיקות קליניות פונקציונאליות לעתים קרובות אינן מביאות בחשבון את היתירות האינדיבידואלית העומדת בבסיס השונות הבין-נושאית. עבור רופאים וחוקרים כאחד, ההבחנה בין שונות נורמלית הנגרמת על ידי יתירות לבין שינויים פתולוגיים בתנועה נותרה אתגר. הערכות קליניות סטנדרטיות המבוצעות על ידי מעריכים מאומנים היטב משתמשות במערכות ניקוד ברזולוציה נמוכה כדי להפחית את השונות הבין-מדרגית ולשפר את תוקף הבדיקה. עם זאת, זה מציג השפעות תקרה, ובכך מוריד את הרגישות ואת תוקף החיזוי עבור נבדקים שעשויים להיות ליקויי תנועה קלים 9,10. יתר על כן, בדיקות קליניות אלה אינן יכולות להבדיל אם הליקויים נגרמים על ידי מכניקת גוף פסיבית או תיאום שרירים אקטיבי, אשר עשויים להיות בעלי חשיבות במהלך האבחון הראשוני ובעת תכנון תוכנית שיקום ספציפית למטופל. ניסויים קליניים אקראיים חשפו יעילות לא עקבית של תוכניות טיפול שגובשו בהתבסס על ראיות שסופקו על ידי בדיקות קליניות אלה 11,12,13. מספר מחקרים הדגישו את הצורך במדדים קליניים כמותיים וידידותיים למשתמש שניתן להשתמש בהם כדי להנחות את התכנון של התערבויות עתידיות14,15.

במחקרים קודמים הדגמנו את היישום של הערכת תנועה אוטומטית באמצעות מכשירי לכידת תנועה צרכניים זמינים בזרועות לאחר שבץ, כמו גם הערכה של תפקוד הכתף לאחר ניתוח חזה בחולות סרטן השד16,17. בנוסף, הראינו כי שימוש במומנטים פעילים של המפרקים כדי להעריך רגעי שרירים של תנועות פעילות ספציפיות הוא מדד רגיש יותר של ליקויים מוטוריים לאחר שבץ בהשוואה לזוויות מפרק18. לכידת תנועה ואלקטרומיוגרפיה של פני השטח (EMG) עשויים אפוא להיות בעלי חשיבות קריטית בהערכת חולים המאובחנים כא-סימפטומטיים על ידי בדיקות קליניות סטנדרטיות, אך עדיין עשויים לחוות קשיי תנועה, עייפות או כאב. מאמר זה מתאר מערכת שעשויה לאפשר אפיון מפורט וכמותי של תנועה במהלך בדיקות קליניות סטנדרטיות לפיתוח עתידי של שיטות להערכה ושיקום בבית באוכלוסיות חולים לקויי תנועה.

ניתן להשתמש במציאות מדומה (VR) כדי לבנות חוויית משתמש סוחפת תוך מידול משימות יומיומיות. בדרך כלל, מערכות VR עוקבות אחר תנועות היד של המשתמש כדי לאפשר אינטראקציות מדומות עם הסביבה הווירטואלית. הפרוטוקול שאנו מתארים כאן משתמש במוצרי VR לצרכן ללכידת תנועה כדי לכמת את הערכת הליקויים המוטוריים, בדומה למחקרים אחרים המדגימים את השימוש בבקרי משחקי וידאו מהמדף בהערכה כמותית של ליקוי לאחר שבץ או ניתוח כתף16,17. בנוסף, EMG הוא מדד לא פולשני לפעילות העצבית העומדת בבסיס כיווץ השרירים19. ככזה, EMG עשוי לשמש כדי להעריך בעקיפין את איכות הבקרה העצבית של התנועה ולספק הערכה מפורטת של תפקוד מוטורי. נזק לשרירים ולעצבים עשוי להיות מזוהה על ידי EMG, והפרעות כגון ניוון שרירים ושיתוק מוחין מנוטרות בדרך כלל באמצעות טכניקה זו20,21. יתר על כן, EMG עשוי לשמש כדי לעקוב אחר שינויים בכוח השרירים או ספסטיות, אשר עשויים שלא להיות ניכרים בהערכות קינמטיות22,23, כמו גם עייפות והפעלת שרירים. מדדים כגון אלה הם קריטיים בהתחשב בהתקדמות השיקום 23,24,25.

הפרדיגמה הניסויית המתוארת כאן מבקשת למנף שילוב של VR ו- EMG כדי להתמודד עם המגבלות של כלי הערכה קליניים מסורתיים. כאן, המשתתפים התבקשו לבצע מטלת Box and Block שונה (BBT)26 באמצעות אובייקטים אמיתיים ובמציאות מדומה. BBT סטנדרטי הוא כלי קליני המשמש להערכה כללית של תפקוד הגפיים העליונות ברוטו, שבו הנבדקים מתבקשים להעביר כמה שיותר בלוקים של 2.5 ס"מ מתא אחד, מעל מחיצה, לתא סמוך תוך דקה אחת. בעוד שלעתים קרובות משתמשים בו כדי להעריך באופן אמין ליקויים בחולים עם שבץ או מצבים נוירומוסקולריים אחרים (למשל, paresis בגפיים העליונות, המיפלגיה ספסטית), נתונים נורמטיביים דווחו גם עבור ילדים ומבוגרים בריאים, בגילאי 6-8926. הערכת תנועה וירטואלית משמשת להדמיית היבטים תפקודיים של הבדיקה הקלינית המבוקרת המבוצעת בחיים האמיתיים. VR משמש כאן כדי להפחית את החומרה הנדרשת תוך מתן הוראות סטנדרטיות וניקוד מתוכנת ואוטומטי. לפיכך, לא יהיה עוד צורך בפיקוח מתמיד של אנשי מקצוע מיומנים.

ה-BBT במחקר זה פושט כדי להתמקד בלכידת ההגעה והאחיזה של בלוק אחד בכל פעם שמופיע באותו מקום. זה מקסם את יכולת השחזור של התנועות וממזער את השונות בין הסובייקט בנתונים המוקלטים. לבסוף, ניתן לרכוש משקפי מציאות מדומה תמורת 300 דולר בלבד ויש להם פוטנציאל להכיל הערכות מרובות. לאחר שתוכנתו, הדבר יפחית באופן משמעותי את העלות הכרוכה בהערכה מקצועית טיפוסית ויאפשר נגישות מוגברת של בדיקות קליניות סטנדרטיות ומתוקפות אלה הן בסביבה קלינית והן בסביבה מרחוק / בבית.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הליכי ניסוי אושרו על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת מערב וירג'יניה (IRB), פרוטוקול # 1311129283, ודבקו בעקרונות הצהרת הלסינקי. הסיכונים מפרוטוקול זה הם מינוריים, אך יש צורך להסביר את כל הנהלים והסיכונים הפוטנציאליים למשתתפים והסכמה כתובה ומודעת נרכשה עם תיעוד שאושר על ידי ועדת הביקורת האתית המוסדית.

1. מאפייני מערכת ועיצוב

הערה: ההגדרה עבור פרוטוקול זה מורכבת מהרכיבים הבאים: (1) חיישני EMG ובסיס, (2) תוכנת רכישת נתונים EMG (DAQ), (3) מערכת לכידת תנועה ו-(4) משקפי VR עם תוכנה מתאימה. רכיבים אלה מוצגים באופן חזותי באיור 1.

  1. הגדרת רכיבי המערכת
    1. חבר את מערכת EMG.
      1. חבר את תחנת הבסיס EMG לחשמל.
      2. חבר את תחנת הבסיס של EMG למחשב ייעודי (איור 1C) המכיל את סקריפטי DAQ.
        הערה: ניתן למצוא סקריפטים לדוגמה בכתובת: https://www.dropbox.com/sh/7se5lih4noxj584/AACqFDZytpDm-L8jAULFwfTHa?dl=0. מוצרים מסחריים מסוימים עשויים להגיע עם תוכנת DAQ מורשית, שבה ניתן להשתמש גם כן.
    2. חבר את מערכת לכידת התנועה.
      1. חברו מחשב ייעודי שני (איור 1A) לנתב רשת.
      2. חבר את נתב הרשת לשרת לכידת תנועה.
      3. חבר את שרת לכידת התנועה לצג מחשב לצורך תצוגה חזותית.
      4. חבר את המצלמות לשרת לכידת התנועה.
    3. חברו את מערכת המציאות המדומה.
      1. חברו את ערכת המציאות המדומה למחשב ייעודי שלישי עם סקריפטי DAQ המתאימים (איור 1B).
        הערה: ניתן למצוא קבצי Script לדוגמה בכתובת: https://www.dropbox.com/sh/7se5lih4noxj584/AACqFDZytpDm-L8jAULFwfTHa?dl=0
      2. טענו את סביבת משחקי המציאות המדומה המכילה את המשימות המיועדות למחשב המקושר לערכת המציאות המדומה (איור 1B).
    4. הכן את האזור שבו הנושא ישלים את המשימה.
      1. השתמש בכיסא יציב ללא זרועות כדי להבטיח שאין הפרעה להושטת היד הרגילה של הנבדק.
      2. למען הבטיחות והדיוק של הנתונים שנאספו, ודא שאזור הבדיקה נקי מכל המכשולים.
    5. סנכרן את המערכות.
      1. השתמש בפונקציית תוכנה מותאמת אישית כדי לסנכרן מערכות בזמן לשרת חד-פעמי.
      2. לחלופין, השתמש במחשב אחד או במנהל הודעות מועדף.

figure-protocol-1
איור 1: הגדרת ציוד ניסיוני. (A) מצלמות לכידת התנועה של הסמן ממוקמות על הרצפה ובתקרה סביב חלל הניסוי, ויוצרות מרחב אופטימלי למעקב אחר תנועה. מחשב ייעודי משמש להפעלת תוכנת לכידת התנועה ולשמירת הנתונים. (B) האוזניות המשמשות להצגת BBT שונה במציאות מדומה מחוברות למחשב ייעודי שבו נשמרים נתוני ההערכה הווירטואלית והמשימה. (ג) בסיס ה-EMG מחובר למחשב ייעודי שבו נרשמים ונשמרים נתוני פעילות השרירים במהלך ביצוע המשימה. חיישני EMG וסמני LED ללכידת תנועה ממוקמים שניהם על זרועו של הנבדק במהלך הפגישה (ראה איור 2). קיצורים: VR = מציאות מדומה; EMG = אלקטרומיוגרפיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

2. הליכים ניסיוניים

הערה: ייצוג חזותי של זרימת הניסוי המתוארת בפרוטוקול זה מוצג באיור 2.

  1. הגדרת EMG
    1. כדי לקבוע את מיקום חיישן ה-EMG לקבלת איכות האות הטובה ביותר, יש למשש את בטן השריר בזמן שהמתאמן מכווץ את השריר הרלוונטי27. ראו טבלה 1 לבחירת השרירים המשמשים בפרוטוקול זה.
    2. באמצעות מגבון אלכוהול, נקו בזהירות כל אלקטרודה ואת מיקום החיישן המיועד על זרועו של המצולם.
      הערה: ניקוי יסודי הן של חיישני ה-EMG והן של עור המצולם יבטיח עכבת אלקטרודה-לעור נמוכה. הדבר מבטיח שלנתוני EMG מוקלטים יש יחס אות לרעש גבוה. שיער עודף באתר מיקום החיישן עלול לגרום לנתונים באיכות נמוכה גם אם נוקה כראוי. במקרה זה, ייתכן שיהיה צורך לגלח את השיער.
    3. לאחר הכנת אלקטרודות ה-EMG ועור הנבדק, הניחו את חיישני ה-EMG על המצולם, תוך הקפדה על מגע טוב בין האלקטרודות לעור. אלקטרודות דו קוטביות צריכות להיות ממוקמות כך שהחיישנים מקבילים לכיוון סיבי השריר.
  2. הגדרת מערכת לכידת תנועה
    הערה: ייתכן שלא יהיה צורך בכך אם רק משקפי VR משמשים למעקב אחר תנועות ידיים עבור קינמטיקה.
    1. כייל את מצלמות מעקב התנועה באמצעות הוראות היצרן. הזיזו את שרביט הכיול ברחבי חלל הניסוי כדי לכייל את מצלמות מעקב התנועה ולהגדיר את הציר התלת-ממדי של החלל.
      הערה: מערכת לכידת תנועת הסמן המשמשת בפרוטוקול זה כוללת שרביט כיול עם סמני LED.
    2. מקם את סמני לכידת התנועה LED על ציוני הדרך הגרמיים של הגפיים העליונות ותא המטען של הנבדק הדרושים לבניית הדגמים הביומכניים הרצויים.
    3. השתמש בתוכנת לכידת התנועה שסופקה כדי להבטיח שכל הסמנים מזוהים ונמצאים במעקב על ידי מצלמות לכידת התנועה. להנחות את הנבדק לבצע מספר תנועות תרגול בזמן שאנשי המחקר מנטרים ויזואלית את נתוני הסמנים בזמן אמת.
  3. הגדרת משימת הערכת מיומנות VR
    1. מקם כיסא במרכז חלל הניסוי לכידת תנועה. השתמש בכיסא דומה לזה המשמש למבחן המסורתי בעולם האמיתי.
    2. כייל את משקפי המציאות המדומה בכיסא שבו הנבדק יבצע את משימת ההערכה. לאחר הכיול, הנחו את הנבדק לשבת בכיסא והניחו את משקפי המציאות המדומה על ראשו.
    3. בזמן שהנבדק יושב, מדדו את המרחק בין כתפו של הנבדק לקרקע, כמו גם את אורך זרועו של הנבדק. השתמשו במרחקים אלה כדי להגדיר את המיקום שבו הטבלה ומשימת ההערכה יושרצו במציאות מדומה.
    4. בסקריפט בקרת המשימות VR, הזן את מדידות הנושא ותכנת את המספר הרצוי של חזרות השרצה בלוקים.
      הערה: ב-BBT שונה זה, בלוקים בודדים יושרצו אחד בכל פעם כדי להגביר את יכולת השחזור.
  4. להנחות את הנבדק לבצע את הערכת BBT שונה ב- VR.
    1. ספק הסבר קצר על המשימה לנושא.
      1. הבלוק הווירטואלי יוליד בצד שמאל או ימין, כפי שנקבע על ידי הנסיין.
      2. הסבירו לנבדקים שהם יצטרכו להרים את הבלוק הווירטואלי, להעביר אותו מעל המחיצה ולמקם אותו על המטרה בתא הנגדי (איור 2).
        הערה: ב-BBT הווירטואלי שעבר שינוי המשמש כאן, הבלוק ייעלם באופן אוטומטי וישריץ מחדש בעמדת ההתחלה כמה פעמים שייקבע על ידי הנסיין.
    2. התחל לאסוף נתוני EMG.
    3. התחל לאסוף נתוני לכידת תנועה.
    4. התחל את משימת הערכת מיומנות VR.
      1. תן למשימה לפעול עבור מספר החזרות שנקבע מראש לפני שהיא מסתיימת באופן אוטומטי.
    5. שמור את הנתונים ה- EMG והקינמטיים לניתוח פוסט-הוק.
    6. קבע ציון רלוונטי מבחינה קלינית עבור BBT שונה פוסט-הוק כמספר הבלוקים שנשאו בהצלחה מעל המכשול או חזרות על המשימה ב -60 שניות.

figure-protocol-2
איור 2: פרוטוקול ניסויי, משימת VR והגדרת נושא. (A) דיאגרמת זרימה המתארת את פרוטוקול הניסוי המשמש כאן. (B) תצוגה לדוגמה של BBT שונה המיושם בסביבת VR. מדידות אנטומיות משמשות לכיול משימת המציאות המדומה, ומבטיחות שהטבלה הווירטואלית תשריץ במיקום היחסי הנכון. (ג) מיקום סמני לכידת תנועה LED וחיישני EMG בנושא. חיישני EMG ממוקמים על שרירי העניין וסמני לכידת תנועה LED ממוקמים מעל ציוני דרך גרמיים. קיצורים: VR = מציאות מדומה; EMG = אלקטרומיוגרפיה; LED = דיודה פולטת אור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

נתוני EMG, קינמטיים וכוח המתקבלים מנבדקים באמצעות פרוטוקול זה יכולים לשמש לאפיון תנועות על פני חזרות על אותה משימה, כמו גם במהלך משימות שונות. הנתונים המוצגים כאן מייצגים תוצאות של משתתפי בקרה בריאים כדי להדגים את ההיתכנות של מערך זה. פרופילי EMG מייצגים שתועדו מנבדק בריא המבצע את ה-BBT השונה במציאות מדומה מוצגים באיור 3. ניתן לראות הפעלת שרירים גבוהה של הדלטואיד הקדמי (DELT_A), דבר המצביע על כך שהוא המניע העיקרי של הזרוע עבור כל תנועה מושגת. מרחיבי האמה ושורש כף היד (ECU ו- ECR) הופעלו גם הם באופן בולט, מה שמרמז על כך ששרירים אלה משמשים לתמיכה באחיזת הבלוק לאורך כל התנועה. לבסוף, פעילות מוגברת של שרירי האגודל (EPB ו-APB) מצביעה על השימוש בהם באחיזה ובשחרור של החסימה. בעוד פרופילי EMG שתועדו במהלך ה-BBT השונה ב-VR היו דומים למשימה בעולם האמיתי, פעילות השרירים המרבית במהלך הערכת VR הופחתה. תוצאות אלה מצביעות על כך שגם BBT סטנדרטי בעולם האמיתי וגם BBT שונה ב- VR עוסקים במנגנוני בקרת מנוע דומים.

נתוני מעקב ידני של מציאות מדומה שימשו להשגת נתונים קינמטיים שיצרו פרופילים חלקים של מסלולי זווית המפרקים לאורך ה-BBT השונה שיושם ב-VR (איור 4). השימוש באגודל, באצבע האמצעית ובאצבע המורה באחיזת הבלוק מסומן על-ידי שינויים בזווית המפרקים הן במפרק הפרוקסימלי והן במפרק הבין-פלנגאלי הדיסטלי (איור 4). זוויות המפרקים של אצבעות 2 (אינדקס) ו-3 (אמצעי) נראות משתנות לאורך מסלולים דומים, מה שמסמל את השימוש המקביל בהן כדי לתפוס ואז לשחרר את החסימה. באופן השוואתי, אצבעות 4 (טבעת) ו-5 (זרת) מראות דפוס מובהק בשינויי זווית המפרקים במפרקים הבין-פלנגאליים הפרוקסימליים והדיסטליים. זה לא רק מצביע על כך שהן לא שימשו באחיזת הבלוק, אלא גם מראה שתנועתן המנוגדת לאצבעות 2 ו-3 עשויה לסמן תנועה טיפוסית מחוץ לסינרגיה שבה אצבעות אלה נשארות מכופפות בזמן שהבלוק משתחרר. שליטה מקוטעת זו של הארכת ספרות לעומת כיפוף עשויה להיעדר אצל מישהו עם ליקויים מוטוריים לאחר שבץ. טבלה 2 מציגה את טווחי הזוויות המפרקים הממוצעים במהלך המשימה. בנוסף, ניתן למדוד את התזמון של כל שלב תנועה או תנועה, כגון אחיזה והגעה, ואת מספר החזרות בתקופה נתונה גם מהנתונים הקינמטיים המתקבלים ממשקפי המציאות המדומה.

ניתן למקסם את איכות הנתונים המתקבלים מפרוטוקול זה באמצעות שיקול מעמיק של מספר גורמים. כאמור, השגת נתוני EMG באיכות גבוהה מסתמכת על מגע הדוק בין אלקטרודות החיישן לבין העור. כאשר חיישנים ממוקמים בצורה מאובטחת, נתוני EMG יהיו בעלי יחס אות לרעש גבוה עם פרקי זמן ברורים של התפוצצות המציינים מתי השרירים מתכווצים באופן פעיל (איור 5). ניתן לדמיין התפרצויות ברורות של פעילות חשמלית המתאימה להתכווצות שרירים הן באותות הלא מסוננים (איור 5A) והן באותות המסוננים (איור 5B), עם רעש מינימלי. עליות חריגות או בלתי צפויות באמפליטודת האות עשויות להצביע על ממצאי תנועה שיכולים לנבוע מחיבור לא בטוח של חיישני EMG לעור. אם נעשה שימוש בחיישנים חוטיים, הדבר יכול לנבוע גם מחוטים המשתלשלים במהלך התנועה. נתוני לכידת תנועה באיכות גבוהה דורשים מהגפיים להישאר בתצוגת מצלמה ברורה, כך שאלגוריתם המעקב יכול לפתור במדויק את הקואורדינטות היחסיות של נקודות במעקב. שינויים גדולים או פתאומיים בקואורדינטות של נקודות מסומנות או ערכי קואורדינטות חסרים מצביעים על נתוני לכידת תנועה באיכות נמוכה. בעוד שניתן להשתמש באינטרפולציה של סמן כדי לחשב קואורדינטות חסרות, שיטה זו תקפה רק לפרקי זמן קצרים ביחס למשך התנועה.

figure-results-1
איור 3: פרופילי EMG מסוננים ומתוקנים מייצגים שהוקלטו מנבדק בריא שביצעו 10 חזרות על BBT שונה במציאות מדומה. (A) כופפי זרוע פרוקסימליים (ראש קצר של שרירי הזרוע, אדום; ראש ארוך של שרירי הזרוע, אפור; דלטואיד קדמי, שחור). (B) מרחיבי זרועות פרוקסימליים (ראש ארוך תלת-ראשי, ירוק; תלת-ראשי רוחבי, כחול). (C) כופפי זרועות דיסטליים (flexor carpi ulnaris, אדום; flexor carpi radialis, שחור). (D) מרחיבי זרועות דיסטליים (extensor carpi ulnaris, ירוק; extensor carpi radialis, כחול). (E) שרירי האצבעות והאגודל (flexor digitorum superficialis, אדום; extensor digitorum communis, ירוק; extensor pollicis brevis, כחול; abductor pollicis brevis, חום). נתון זה נלקח מ Yough28. קיצורים: BBT = משימת תיבה ובלוק; EMG = אלקטרומיוגרפיה; BIC_SH = ראש קצר שרירי הזרוע; BIC_LO = ראש ארוך שרירי הזרוע; DELT_A = דלטואיד קדמי); TRI_LO = ראש ארוך תלת ראשי; TRI_LAT = תלת ראשי לרוחב; FCU = flexor carpi ulnaris; FCR = פלקסור קרפי רדיאליס; ECU = extensor carpi ulnaris; ECR = extensor carpi radialis; FDS = flexor digitorum superficialis; EDC = extensor digitorum communis; EPB = extensor pollicis brevis; APB = חוטף pollicis brevis. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-2
איור 4: פרופילים קינמטיים מייצגים שתועדו מנבדק בריא שביצע 10 חזרות על BBT שעבר שינוי במציאות מדומה. (A) זוויות החיבור של האגודל במפרקי CMC, MCP ו-IP. (B) זוויות המפרקים של מפרקי MCP של ספרות 2-5. (C) זוויות מפרקים של מפרקי PIP של ספרות 2-5. (D) זוויות מפרקים של מפרקי מח"ש בספרות 2-5. המספרים הבאים אחרי כל שם מפרק מציינים את האצבע שכל מפרק מתאים לה (אגודל = 1, אינדקס = 2, אמצע = 3, טבעת = 4, זרת = 5). נתון זה נלקח מ Yough28. קיצורים: CMC = carpometacarpal; Ad/Ab = חטיפה/חטיפה; E/F = הארכה/כיפוף; MCP = metacarpophalangeal; IP = interphalangeal; PIP = interphalangeal פרוקסימלי; DIP = אינטרפלנג'ל דיסטלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-3
איור 5: נתוני חיישן EMG מייצגים. (A) אותות EMG גולמיים ו-(B) מסוננים מחיישן EMG מאובטח הממוקם בצורה אופטימלית על המכופף carpi ulnaris. נתון זה נלקח מ Yough28. קיצורים: EMG = אלקטרומיוגרפיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

מספר חיישן Delsysשריר
1Flexor carpi ulnaris
2פלקסור קארפי רדיאליס
3Extensor carpi ulnaris
4Extensor carpi radialis longus
5אנקונאוס
6Flexor digitorum superficialis
7Extensor digitorum communis
8Biceps brachii - ראש מדיאלי/קצר
9Biceps brachii - ראש לרוחב/ארוך
10Triceps brachii - ראש ארוך
11Triceps brachii - ראש לרוחב
12דלטואיד קדמי
13דלטואיד לטרלי
14Extensor pollicis brevis
15חוטף פוליציס ברוויס

טבלה 1: בחירת שרירים עבור חיישני EMG להקלטה בפרוטוקול זה.

דרגת חופשזווית מפרק מינימלית (rad)זווית מפרק מרבית (rad)מגניטודה (ראד)
פרונציה של שורש כף היד0.240.680.44 ± 0.17
הארכת פרק כף היד-כיפוף-0.47-0.40.1 ± 0.06
חטיפת מפרק כף היד-0.18-0.10.08 ± 0.03
חטיפה קרפומטקרפלית0.350.550.2 ± 0.09
Carpometacarpal Flexion-Extension0.050.240.18 ± 0.12
האגודל Metacarpal Flexion-Extension-0.23-0.150.08 ± 0.02
הארכת כיפוף בין-פלנגאלית של האגודל-0.56-0.480.09 ± 0.03
Index Metacarpal Extension-Flexion0.250.50.25 ± 0.13
אינדקס הרחבה אינטרפלנגלית פרוקסימלית-כיפוף0.740.940.0.2 ± 0.14
אינדקס הרחבה בין-פלנגאלית דיסטלית-כיפוף0.670.810.15 ± 0.1
הארכה מטקרפלית אמצעית-כיפוף0.250.460.2 ± 0.11
הארכה בין-פלנגאלית פרוקסימלית אמצעית-כיפוף0.891.070.18 ± 0.11
הארכה בין-פלנגלית דיסטלית אמצעית-כיפוף0.740.90.15 ± 0.1
טבעת Metacarpal הרחבה-כיפוף0.220.420.2 ± 0.14
טבעת פרוקסימלי הארכה אינטרפלנגאלית-כיפוף0.91.10.2 ± 0.15
כיפוף הארכה אינטרפלנגאלי דיסטלי טבעתי0.780.930.15 ± 0.1
כיפוף הארכה מטאקרפלית קטנה0.320.480.16 ± 0.04
הארכה אינטרפלנגאלית פרוקסימלית קטנה-כיפוף0.931.090.16 ± 0.09
כיפוף הארכה בין-פלנגאלי דיסטלי קטן0.760.90.14 ± 0.09

טבלה 2: טווחי זווית מפרקים ממוצעים במהלך BBT שונה. כיווני תנועה בשמות DOF מתאימים לכיוונים שליליים-חיוביים. לדוגמה, ב-"Wrist Supination-Pronation", השכיבה היא בכיוון השלילי והפרונציה היא בכיוון החיובי.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכת EMG
החומרה של מערכת EMG מורכבת מ-15 חיישני EMG המשמשים לקבלת נתוני הפעלת שרירים. ממשק תכנות יישומים (API) זמין מסחרית שימש ליצירת תוכנת הקלטת EMG מותאמת אישית. חומרת מערכת VR מורכבת ממשקפי מציאות מדומה המשמשים להצגת סביבת VR אימרסיבית וכבל המקשר את האוזניות למחשב הייעודי שבו מאוחסנת משימת ההערכה הווירטואלית. התוכנה מורכבת מתוכנת גרפיקה ממוחשבת תלת ממדית כדי ליצור ולהפעיל את משימת VR. כאן, מבחן תיבה ובלוק שונה, שהותאם מהערכת מיומנות ידניתפופולרית 26, שימש כמשימת ההערכה. אינטראקציה עם סביבת VR הותרה באמצעות תוכנה שנועדה לחשב את המיקום שבו הטבלה תשריץ, תתחיל את המשימה, תשריץ בלוקים ותשמור את הנתונים.

מערכת לכידת תנועה
חומרת מערכת לכידת התנועה מורכבת מערכת המציאות המדומה, מערכת לכידת התנועה של הסמן ובקר התנועה VR. ערכת המציאות המדומה מצוידת ביכולת מעקב ידני באמצעות ארבע מצלמות אינפרא אדום מובנות (72-120 הרץ). נתונים אלה הוצאו מהמכשיר לצורך ניתוח קינמטי. מערכת לכידת התנועה של הסמן מורכבת משרת, מצלמות עם שדה ראייה של 60°, דיודה פולטת אור אדום (LED) כסמנים ואובייקט כיול. כדי ללכוד במדויק את החלל, המצלמות יצטרכו לחפוף מעט. במהלך הניסוי, אזור צילום נתון הוקף בשמונה מצלמות (480 הרץ), כאשר ארבע היו בתקרה וארבע ברצפה. מערכת זו כוילתה והתיישרה לפני הניסוי. מערכות לכידת תנועה של סמן עשויות להיות מועדפות מכיוון שהן מספקות נתונים קינמטיים בחדות גבוהה עבור יישומים קליניים ומחקריים כאחד. בקר התנועה VR מכיל מודול מעקב ידיים אופטי הלוכד את תנועת היד והאצבע. לבקר שתי מצלמות אינפרא אדום קרוב (120 הרץ) בגודל 640 x 240 פיקסלים, המסוגלות לעקוב אחר תנועה במרחק של עד 60 ס"מ מהמכשיר ובשדה ראייה של 140 x 120 מעלות. מכשיר זה היה מחובר לערכת המציאות המדומה או מאובטח מעל הראש במהלך תנועה. תוכנת פיתוח גרפיקה ממוחשבת תלת ממדית שימשה להדמיה של מעקב ידני ואיסוף נתונים מסביבת VR. נתונים ממערכות לכידת התנועה ללא סמן וסמנים נרכשו ונשמרו באמצעות סקריפטים מותאמים אישית של תוכנה. סקריפטים לדוגמה של תוכניות תוכנה ניתן למצוא בכתובת: https://www.dropbox.com/sh/7se5lih4noxj584/AACqFDZytpDm-L8jAULFwfTHa?dl=0.

החלפות ציוד פוטנציאליות
אלקטרודות EMG אלחוטיות, דו-קוטביות ומשטח משמשות בפרוטוקול זה, אולם ניתן להחליף טכנולוגיות EMG אחרות (חוטיות וכו '). אם אתה משתמש בחיישנים סטנדרטיים הזמינים מסחרית כמתואר בטבלת החומרים, ניתן להשתמש בתוכנת DAQ הנלווית במקום בסקריפטים של התוכנה המותאמת אישית (קצב דגימה של 2,000 הרץ). אם נעשה שימוש בחיישני EMG חלופיים, יש להשתמש גם בתוכנה התואמת למערכת זו.

במקום לקשר את ערכת המציאות המדומה למחשב באמצעות כבל, לערכת המציאות המדומה יש את היכולת לאחסן את הסביבה האינטראקטיבית בתוך האוזנייה. יישום התכונה ביישומים עתידיים לשיקום בבית יהיה יתרון עבור המטופל. ניתן להחליף את ערכת המציאות המדומה המשמשת כאן בערכת מציאות מדומה סוחפת אחרת. לפני ההחלפה, זה ידרוש אימות של תאימות עם תוכנת פיתוח המשחק.

ניתן להשתמש בתוכנת פיתוח חלופית ליצירת הסביבה הווירטואלית והמשימה המתוארת בפרוטוקול זה. בנוסף, ניתן להשתמש בהערכות קליניות אחרות המתורגמות למציאות מדומה במקום ה-BBT המתוקן המתואר כאן (למשל, מבחן זרוע מחקר פעולה (ARAT) או הערכה מדורגת מוגדרת מחדש של כוח, תחושה והבנה (GRASSP)). בעוד BBT יכול לשמש כדי להעריך מגוון רחב של פגיעות נוירולוגיות, השימוש במשימות קליניות חלופיות יאפשר הערכה של הפרעות תנועה אחרות. ה- GRASSP, למשל, משמש בעיקר להערכת חולים עם פגיעה בחוט השדרה, בעוד שה- ARAT משמש לרוב להערכת המיפלגיה עקב נזק לקליפת המוח. הערכות וירטואליות יכולות גם להיות מנוהלות ללא שליטה על ידי סקריפט תוכנה (כלומר, עצמאי), אך DAQ ובקרה על ניהול הבדיקה יצטרכו להילקח בחשבון. להערכת מיומנות, ניתן להשתמש במבחן קופסה ובלוק מוחשי (BBT) במקום המשימה שפותחה ב- VR26. שימוש בציוד בעולם האמיתי ידרוש טכנולוגיית לכידת תנועה חלופית, במקום מעקב ידני שהוקלט ממשקפי VR.

ניתן להשתמש בסמן אמין חלופי או לכידת תנועה ללא סמן כדי לעקוב אחר קינמטיקה ידנית. לדוגמה, ניתן להשתמש בלכידת תנועה מבוססת VR כדי לפשט את ההתקנה, תוך השגת נתוני מעקב ידניים נחוצים כדי לחלץ מידע קינמטי. מערכת לכידת תנועת הסמן המשמשת כאן כוללת תוכנה לכיול מרחב לכידת התנועה הניסיוני והפעלת המצלמות (קצב דגימה של 480 הרץ). יש להשתמש בטכנולוגיית לכידת תנועה חלופית עם התוכנה המתאימה המתאימה.

מחשבים נפרדים מתוארים באיור 1, כאשר כל אחד מהם מפעיל רכיב חומרה שונה. מחשב יחיד בעל ביצועים גבוהים יכול להריץ את כל התוכנות לאיסוף נתונים ומציאות מדומה. בפרוטוקול המתואר כאן, השימוש בשלושה מחשבים נפרדים דורש סנכרון נתונים. סנכרון הנתונים בזמן בין מכשירים הוא קריטי עבור EMG, קינמטי וכוח נתונים כדי להניב מסקנות משמעותיות. סקריפטים מותאמים אישית של תוכנה באמצעות פונקציית datetime מובנית שימשו לרישום השעה האוניברסלית בכל מערכת בתחילת המשימה. באופן קריטי, כל המחשבים חייבים להיות מחוברים לאותה רשת כדי שקבצי script אלה יפעלו כראוי. לאחר ששעת ההתחלה נרשמה באמצעות datetime, סקריפטים של DAQ השתמשו בפונקציות tic ו - toc כדי להגדיל את הזמן במהלך הניסיון. לפונקציות אלה יש דיוק של כ- 0.000001s, מה שעשוי לאפשר רישום נתונים במהירות של 1,000 קילוהרץ. במערך שלנו, תדר הדגימה הגבוה ביותר הוא 30 קילוהרץ, שהוא הרבה מתחת ליכולות המקסימליות של שיטה זו לזמן הקלטה וסנכרון בין מכשירים. פרוטוקול בקרת שידור/פרוטוקול אינטרנט (TCP-IP) אפליקציית מסרים29 שפותחה בפייתון שימשה להעברת נתונים בין סביבת VR לאפליקציית DAQ על בסיס כתובת IP.

בנוסף להבטחת סנכרון זמן, הייתה חשיבות קריטית לסנכרון נתונים שנרכשו בתדרי דגימה שונים. שניים מהמחשבים החלו לאסוף באופן ידני נתוני לכידת תנועה (480 הרץ) ולהקליט נתוני EMG (2000 הרץ). מחקרים קודמים השתמשו במעגלי סנכרון מותאמים אישית כדי לשלוח אירוע משותף בין מערכות בציוני דרך ניסיוניים (למשל, פולס סנכרון נשלח כאשר הקלטת הנתונים מתחילה, ושוב כאשר ההקלטה מסתיימת)30. כאן, השימוש בפונקציות datetime, טיק וטוק של התוכנה מאפשר סנכרון ללא צורך בחומרה נוספת. יישום העברת ההודעות TCP-IP הזמין מסחרית המשמש כאן תמך גם בתקשורת רציפה בין מערכות. מסגרת זו לסנכרון זמן ותדרי איסוף נתונים בין מערכות פעלה גם לארגון נתונים באופן עקבי לצורך ניתוח פוסט-הוק מתקדם.

פרוטוקול הניסוי המתואר כאן ניתן להתאמה אישית רבה כדי לענות על הצרכים המשתנים של קבוצות קליניות או מחקריות, עם פוטנציאל להיות מיושם הן בסביבה קלינית והן בסביבה ביתית / מרוחקת. בעוד שתיארנו הערכה של פעילות שרירים וקינמטיקה באמצעות BBT שונה במציאות מדומה, מערך דומה יכול לשמש לבדיקות קליניות שונות ואף עשוי להיות פשוט יותר עבור מערכי נתונים מופחתים. לדוגמה, ניתן להוציא חיישני EMG וכוח אם יש צורך בנתונים קינמטיים בלבד. רכישת נתונים קינמטיים בלבד פשוט תדרוש שימוש במערכת לכידת תנועה. חומרה נוספת, כגון אלקטרואנצפלוגרפיה או אלקטרוקרדיוגרפיה, יכולה להיכלל גם היא כדי לתעד נתונים נוספים. במקום אלקטרודות EMG סטנדרטיות על פני השטח, ניתן להשתמש במשטח בצפיפות גבוהה או EMG תוך שרירי כדי לרשום נתוני פעילות שרירים מדויקים יותר 31,32. יתר על כן, בדיקות קליניות תפקודיות אחרות, כגון ARAT או GRASSP, עשויות לשמש להערכת ליקויים מוטוריים באוכלוסיות חולים שונות. בעוד שהמערך המתואר כאן מיועד בעיקר למטרות מחקר כדי לכמת טוב יותר ליקויי תנועה במציאות מדומה, אנו שואפים לפתח מערך דומה כדי לאפשר ניטור ושיקום מטופלים מרחוק. אנו מצפים כי פרוטוקול זה יותאם בקלות באמצעות משקפי VR סטנדרטיים לצרכן המצוידים במעקב אחר תנועות יד, בשילוב עם מכשיר הקלטה EMG לביש. במחקרים עתידיים, אנו שואפים להמשיך לפתח פרוטוקול זה לשימוש ביתי על ידי שילוב שרוול EMG זול, לביש ובצפיפות גבוהה שנמצא כעת בפיתוח.

בהשוואה לפיזיותרפיה מסורתית או ריפוי בעיסוק במרפאה או במרכז שיקום, שיקום VR מציע יתרונות פוטנציאליים רבים. בעוד שהפרוטוקול המתואר כאן נועד לשמש בעיקר למטרות מחקר, שיטות הערכה וירטואליות יכולות להיות מיושמות מרחוק ובאמצעות מכשירי מדף, ללא צורך בציוד רפואי יקר ומיוחד. בנוסף, מערכות VR מסוגלות לעקוב כמותית אחר תנועות ידיים כדי לספק תובנות לגבי איכות התנועה, מה שאולי לא יהיה אפשרי עם הערכה סטנדרטית33,34. ההשוואה בין תנועות במציאות מדומה לעומת משימות בעולם האמיתי נותרה נושא למחקר אינטנסיבי ותובנות עתידיות ישפיעו על האופן שבו VR יכול לשמש לשיקום. ההליך המתואר כאן הוא התקנה גמישה המשתמשת ב- VR כדי להנחות תנועות סטנדרטיות ולקבל נתונים קינמטיים ו- EMG בודדים. נתונים המתקבלים ממחקרים המשתמשים במערך המתואר עשויים גם לספק תובנות לגבי האופן שבו אנשים נעים בסביבה הווירטואלית, ומנגנונים פוטנציאליים שבאמצעותם נבדקים מסוימים מוצאים את המציאות המדומה כסוחפת יותר. יש לכך חשיבות קריטית בעת התאמת הערכות קליניות בחיים האמיתיים לסביבת VR.

יש לעקוב בקפידה אחר מספר שלבים בהגדרה ובביצוע של פרוטוקול זה כדי לקבל נתונים איכותיים ומדויקים. חשיבות עליונה היא מיקום נכון של חיישן EMG. נתוני EMG נקיים ומדויקים עם אות לרעש גבוה מחייבים את הצבת החיישנים על עור מחוטא וללא שיער מעל בטנו של השרירשנבחר 27. באופן דומה, אם נעשה שימוש במערכת לכידת תנועה של סמן, יש להציב סמנים במדויק על ציוני דרך גרמיים כדי ללכוד נתונים אמינים לחישוב זוויות העניין המשותפות. בהשוואה לחיישני EMG, קיימת גמישות מסוימת בכיוון של סמני לכידת תנועה, אך תמיד יש להשתמש במינימום של שלוש נקודות לא קולינאריות כדי להגדיר את מיקומו של גוף קשיח בחלל35. טכניקות מסוימות לחישוב זוויות מפרקים, כגון קינמטיקה הפוכה מבוססת מודל, ידרשו מיקום סמן מדויק. אם משתמשים בשיטה זו, מיקומי הסמנים הניסיוניים צריכים להתאים לאלה של מודל36. תוכנת מידול שריר-שלד שפותחה לחישוב קינמטיקה הופכית כוללת בדרך כלל פונקציות חישוביות מובנות להתאמת המודל ומיקומי סמן הניסוי. OpenSim, פלטפורמה שפותחה על ידי אוניברסיטת סטנפורד37, משמשת בדרך כלל לסוג זה של ניתוח. יש לנטר הן את חיישן EMG והן את אבטחת הסמן לאורך כל המשימה כדי להבטיח רישום נתונים באיכות גבוהה.

אם הנתונים המתקבלים מפרוטוקול זה רועשים, פתרון הבעיות צריך להתמקד בשיקול של מספר שלבים. ראשית, מיקום לקוי של חיישן EMG יכול להפיק נתונים רועשים ויש לאמת אותם. כדי להקל על בעיה זו, הכנת העור לפני חיבור חיישן EMG חשובה, כפי שנדון קודם לכן. בנוסף, נתוני לכידת תנועה באיכות נמוכה עלולים להיווצר אם הסמנים יוצאים מטווח המצלמות. אובדן קצר של נקודות מעקב יכול להיפתר באמצעות אינטרפולציה, אך אם הסמנים ימשיכו להיכשל בהעברת נתוני מיקום מדויקים, עלולות להתקיים בעיות בסיסיות חמורות יותר. אם סמן בודד נשמט שוב ושוב, הדבר עשוי להצביע על כך שהסמן מוסתר על-ידי תנועת המצולם או שהוא יוצא מטווח המצלמה. יתר על כן, כיול מצלמה לקוי עלול לגרום לכשל במספר סמנים. בתרחיש זה, עדיף לכייל מחדש באופן מלא את מערכת לכידת התנועה לאחר הסרת הנושא וציוד הבדיקה מחלל הניסוי. בנוסף, יש להשתמש בתאורה מספקת, מכיוון שסביבות עם תאורה חלשה עלולות לעכב את הרכישה של נתוני לכידת תנועה באיכות גבוהה.

לפרוטוקול המתואר יש מספר מגבלות. ראשית, ההתקנה המתוארת כאן דורשת שימוש במספר מצלמות לכידת תנועה. עם זאת, הכוונה של פרוטוקול זה היא לאסוף נתונים ברזולוציה גבוהה כדי לכמת טוב יותר ליקויי תנועה ב- VR לפני פיתוח הערכות קליניות מרחוק לחלוטין שעשויות להסתיים על ידי המטופל בלבד. בנוסף, משימות המבוצעות במציאות מדומה חסרות משוב מישוש. חשוב לציין זאת מכיוון שמשוב מישוש לבדו יכול לשנות את עוצמת כוח האחיזה38,39. זה עשוי להשפיע על הפעלת שרירים או קינמטיקה כאשר משימה מבוצעת בסביבה וירטואלית במקום להשתמש בציוד מוחשי. אם משוב מישושי נחשב בעל חשיבות קריטית (למשל, אם מטופלים חווים גם ליקויים חושיים), השימוש ברובוטים הפטיים עשוי להיכלל כדי לחקות משוב מישוש. למרות מגבלה זו, אנו צופים כי נתונים המתקבלים מהמערך המתואר כאן יהיו חיוניים לכימות שינויים בקינמטיקה ובפעילות השרירים במשימות VR בלבד עבור חולים עם הפרעות תנועה. זה יסייע בהתאמת בדיקות קליניות כאלה לשימוש ביתי. מגבלה נוספת של פרוטוקול זה היא שבלוק בודד מוצג בכל פעם במהלך הבחינה. ב BBT סטנדרטי, 150 בלוקים עץ ממוקמים בתא אחד של התיבה מלכתחילה. BBT שונה זה תוכנן להגדיל את יכולת השחזור של לכידת התנועה המוקלטת ונתוני EMG על ידי הדמיה של בלוק אחד שחוזר באותו מיקום וירטואלי. ככזה, BBT שונה מיושם VR הוא כנראה משימה פשוטה יותר. במחקרים עתידיים, יהיה חשוב שה- BBT השונה ב- VR יהיה עקבי עם ההגדרה של BBT סטנדרטי כדי להבטיח תוקף תוכן.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי משרד עוזר מזכיר ההגנה לענייני בריאות באמצעות תוכנית המחקר לשיקום לוחמים עם פציעות נוירומוסקולוסקלטליות (RESTORE) תחת פרס מס 'W81XWH-21-1-0138. חוות דעת, פרשנויות, מסקנות והמלצות הן של המחברים ואינן בהכרח מאושרות על ידי משרד ההגנה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
כיסא ללא זרועותלא ישיםכיסא לנבדקים לשבת בו צריך להיות ללא זרועות כדי שהזרועות שלהם לא יפריעו להם.
מחשבDell Technologiesשלושה מחשבים שימשו לליווי ציוד איסוף הנתונים.
בקר תנועה LeapUltraleapמודול מעקב ידיים אופטי הלוכד את תנועת היד והאצבעות. לבקר שתי מצלמות אינפרא אדום כמעט בגודל 640 x 240 פיקסלים (120 הרץ), המסוגלות לעקוב אחר תנועה עד 60 ס"מ מהמכשיר וב-140 x 120° שדה ראייה. מכשיר זה הוצמד לאוזניות ה-VR או אובטח מעל הראש במהלך התנועה.
MATLABMathWorks, Inc. פלטפורמת תכנות המשמשת לפיתוח תוכנת רכישת נתונים מותאמת אישית
Oculus Quest 2MetaImmersive אוזניות מציאות מדומה המצוידות ביכולת מעקב אחר ידיים באמצעות 4 מצלמות אינפרא אדום מובנות (72-120 הרץ). ניתן להחליף במכשירים דומים אחרים (לדוגמה, HTC Vive, HP Reverb, Playstation VR).
כבל Oculus Quest 2 LinkMetaמשמש לחיבור האוזניות למחשב שבו אוחסן משחק ה-VR
PhaseSpace Motion CapturePhaseSpace, Inc.מערכת לכידת תנועה מסומנת, המורכבת משרת, מצלמות עם שדה ראייה של 60°, דיודה פולטת אור אדום (LED) כסמנים, ואובייקט כיול
Trigno Wireless SystemDelsys, Inc.By Delsys Inc., כולל EMG, מד תאוצה, חיישני כוח, תחנת בסיס ותוכנת איסוף. ממשק תכנות היישומים Trigno-MATLAB (API) שימש לפיתוח תוכנת הקלטה מותאמת אישית.
תוכנת UnReal Engine 4Epic Gamesהמשמשת ליצירה והפעלה של משימת התיבה והבלוק ששונתה ב-VR

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Rosenbaum, D. A. Human motor control. , Elsevier Inc. (2010).
  2. Kalsi-Ryan, S., Curt, A., Fehlings, M., Verrier, M. Assessment of the hand in tetraplegia using the Graded Redefined Assessment of Strength, Sensibility and Prehension (GRASSP): impairment versus function. Topics in Spinal Cord Injury Rehabilitation. 14 (4), 34-46 (2009).
  3. Kalsi-Ryan, S., et al. The Graded Redefined Assessment of Strength Sensibility and Prehension: reliability and validity. Journal of Neurotrauma. 29 (5), 905-914 (2012).
  4. Menorca, R. M. G., Fussell, T. S., Elfar, J. C. Nerve physiology. Hand Clinics. 29 (3), 317-330 (2013).
  5. Spinal cord injury. National Institute of Neurological Disorders and Stroke. , Available from: https://www.ninds.nih.gov/health-information/disorders/spinal-cord-injury (2023).
  6. Peripheral neuropathy. National Institute of Neurological Disorders and Stroke. , Available from: https://www.ninds.nih.gov/health-information/patient-caregiver-education/fact-sheets/peripheral-neuropathy-fact-sheet (2023).
  7. Statistics: Get informed about Parkinson's disease with these key numbers. Parkinson's Foundation. , Available from: https://www.parkinson.org/understanding-parkinsons/statistics (2023).
  8. Virani, S. S., et al. Heart disease and stroke statistics-2021 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 143 (8), e254(2021).
  9. Hsieh, Y., et al. Responsiveness and validity of three outcome measures of motor function after stroke rehabilitation. Stroke. 40 (4), 1386-1391 (2009).
  10. Van Der Lee, H., Beckerman, H., Lankhorst, G. J., Bouter, L. M. The responsiveness of the action research arm test and the Fugl-Meyer assessment scale in chronic stroke patients. Journal of Rehabilitation Medicine. 33 (3), 110-113 (2001).
  11. Duncan, P., et al. Randomized clinical trial of therapeutic exercise in subacute stroke. Stroke. 34 (9), 2173-2180 (2003).
  12. Saposnik, G., et al. Efficacy and safety of non-immersive virtual reality exercising in stroke rehabilitation (EVREST): a randomised, multicentre, single-blind, controlled trial. The Lancet Neurology. 15 (10), 1019-1027 (2016).
  13. Wolf, S. L., et al. The EXCITE stroke trial: Comparing early and delayed constraint-induced movement therapy. Stroke. 41 (10), 2309-2315 (2010).
  14. Krakauer, J. W., Carmichael, S. T. Broken movement: the neurobiology of motor recovery after stroke. , The MIT Press. Cambridge, MA. (2017).
  15. Pollock, A., et al. Interventions for improving upper limb function after stroke. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2014 (11), (2014).
  16. Olesh, E. V., Yakovenko, S., Gritsenko, V. Automated assessment of upper extremity movement impairment due to stroke. PLoS ONE. 9 (8), e104487(2014).
  17. Gritsenko, V., et al. Feasibility of using low-cost motion capture for automated screening of shoulder motion limitation after breast cancer surgery. PLOS ONE. 10 (6), e0128809(2015).
  18. Thomas, A. B., Olesh, E. V., Adcock, A., Gritsenko, V. Muscle torques and joint accelerations provide more sensitive measures of poststroke movement deficits than joint angles. Journal of Neurophysiology. 126 (2), 591-606 (2021).
  19. De Luca, C. Electromyography. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation. , (2006).
  20. Lin, C. -J., Guo, L. -Y., Su, F. -C., Chou, Y. -L., Cherng, R. -J. Common abnormal kinetic patterns of the knee in gait in spastic diplegia of cerebral palsy. Gait & Posture. 11 (3), 224-232 (2000).
  21. Lin, J., Shah, D., McCracken, C., Verma, S. Quantitative EMG in Duchenne muscular dystrophy (P6.328). Neurology. 86, (2016).
  22. EMG test for neuromuscular disease. Brigham and Women's Hospital. , Available from: https://www.brighamandwomens.org/medical-resources/emg-test (2023).
  23. Kuthe, C. D., Uddanwadiker, R. V., Ramteke, A. A. Surface electromyography based method for computing muscle strength and fatigue of biceps brachii muscle and its clinical implementation. Informatics in Medicine Unlocked. 12, 34-43 (2018).
  24. Holtermann, A., Grönlund, C., Karlsson, J. S., Roeleveld, K. Motor unit synchronization during fatigue: Described with a novel sEMG method based on large motor unit samples. Journal of Electromyography and Kinesiology. 19 (2), 232-241 (2009).
  25. Kim, H., Lee, J., Kim, J. Electromyography-signal-based muscle fatigue assessment for knee rehabilitation monitoring systems. Biomedical Engineering Letters. 8 (4), 345-353 (2018).
  26. Mathiowetz, V., Volland, G., Kashman, N., Weber, K. Adult norms for the box and block test of manual dexterity. American Journal of Occupational Therapy. 39 (6), 386-391 (1985).
  27. Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. Journal of Electromyography and Kinesiology. 10 (5), 361-374 (2000).
  28. Yough, M. Advancing medical technology for motor impairment rehabilitation: Tools, protocols, and devices. Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports. , (2023).
  29. Velliste, M., Perel, S., Spalding, M. C., Whitford, A. S., Schwartz, A. B. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature. 453 (7198), 1098-1101 (2008).
  30. Talkington, W. J., Pollard, B. S., Olesh, E. V., Gritsenko, V. Multifunctional setup for studying human motor control using transcranial magnetic stimulation, electromyography, motion capture, and virtual reality. Journal of Visualized Experiments. (103), e52906(2015).
  31. Murillo, C., et al. High-density electromyography provides new insights into the flexion relaxation phenomenon in individuals with low back pain. Scientific Reports. 9 (1), 15938(2019).
  32. Péter, A., et al. Comparing surface and fine-wire electromyography activity of lower leg muscles at different walking speeds. Frontiers in Physiology. 10, 1283(2019).
  33. Isenstein, E. L., et al. Rapid assessment of hand reaching using virtual reality and application in cerebellar stroke. PLOS ONE. 17 (9), e0275220(2022).
  34. Varela-Aldás, J., Buele, J., López, I., Palacios-Navarro, G. Influence of hand tracking in immersive virtual reality for memory assessment. International Journal of Environmental Research and Public Health. 20 (5), 4609(2023).
  35. Robertson, D., et al. Human kinetics. Research methods in biomechanics. , Champaign, IL. (2004).
  36. Dunne, J. J., Uchida, T. K., Besier, T. F., Delp, S. L., Seth, A. A marker registration method to improve joint angles computed by constrained inverse kinematics. PLOS ONE. 16 (5), e0252425(2021).
  37. Delp, S. L., et al. OpenSim: Open-source software to create and analyze dynamic simulations of movement. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54 (11), 1940-1950 (2007).
  38. Naceri, A., Gultekin, Y. B., Moscatelli, A., Ernst, M. O. Role of tactile noise in the control of digit normal force. Frontiers in Psychology. 12, 612558(2021).
  39. Wottawa, C. R., et al. The role of tactile feedback in grip force during laparoscopic training tasks. Surgical Endoscopy. 27 (4), 1111-1118 (2013).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Virtual Box And BlockMotion CaptureSurface ElectromyographyMuscle Activity AssessmentVirtual Reality RehabilitationRemote Patient MonitoringHand Function TestMotor Impairment QuantificationEMG SensorsUpper Limb Movement

מאמרים קשורים