Video Analisi del Movimento Utilizzando Smartphone (VIMAS): uno studio pilota
14 marzo 2017
Questo manoscritto descrive il metodo per testare la validità concorrente delle misure cinematiche registrate dall'applicazione per smartphone rispetto a un sistema di motion capture 3D sul piano sagittale. Questo protocollo consentirà ai medici di configurare gli smartphone per l'acquisizione video del movimento umano.
L'obiettivo generale di questo studio è testare la validità concomitante delle misure cinematiche registrate dall'applicazione per smartphone e confrontarle con le misure registrate da un sistema di motion capture 3D, al fine di sviluppare un protocollo clinico valido. Questo protocollo clinico è stato sviluppato in modo che lo smartphone possa essere utilizzato per catturare il movimento umano e fornire misurazioni cinematiche valide, utilizzando una configurazione semplice e intuitiva. Il vantaggio principale di questa tecnica è che lo smartphone può essere installato in una clinica o a casa di un paziente, per l'analisi video del movimento umano.
La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, perché i medici possono seguire il protocollo clinico passo dopo passo, al fine di ottenere misure valide della cinematica degli arti inferiori. A dimostrare la procedura saranno gli studenti laureati, che sono coautori dello studio. Inizia misurando e delimitando una passerella di sei metri, usando metro a nastro e nastro adesivo.
Quindi posiziona quattro telecamere 3D per il motion capture ai quattro angoli della passerella di sei metri, per registrare la camminata in quest'area. Orientare ciascuna delle telecamere alle estremità diagonali della passerella in modo che siano una di fronte all'altra. Successivamente, accompagna il partecipante nell'area di test e raccogli il peso e la lunghezza delle gambe, dal grande trocantere ai malleoli mediali di entrambe le gambe con un metro a nastro.
Quindi misura l'altezza facendo stare il partecipante a piedi nudi accanto a un metro a nastro, attaccato al muro. Posiziona un righello sopra la testa del partecipante per leggere la misura dal metro a nastro adesivo al muro. Monta lo smartphone su un treppiede, utilizzando una clip adattatore per tenere lo smartphone.
Posizionare il treppiede perpendicolarmente al centro della passerella, a 2,0 metri di distanza dalla prima prova impostata. Si noti che il treppiede deve essere posizionato a 4,0 metri di distanza per la seconda serie di prove. Quindi calcola l'altezza dal pavimento all'obiettivo della telecamera in metri per ogni configurazione, utilizzando la lunghezza delle gambe del paziente.
La posizione della telecamera da vicino, due metri, serve per registrare e analizzare solo il movimento degli arti inferiori, mentre la distanza da lontano copre sia gli arti inferiori che il tronco. Successivamente, posiziona gruppi di tre pennarelli intelligenti con cinghie in velcro sulla cresta iliaca anteriore superiore bilaterale o ASIS, un terzo superiore dell'aspetto laterale delle cosce, un terzo superiore dell'aspetto laterale dei polpacci e il dorso di entrambi i piedi. Posiziona un singolo marcatore intelligente sulla linea mediana tra le spine iliache posteriori superiori destra e sinistra.
Posizionare adesivi che indichino i punti di riferimento ossei dei condili femorali mediali e laterali bilaterali, dei malleoli mediali e laterali e dello spazio palmato tra il primo e il secondo dito del piede per la calibrazione del sistema di motion capture 3D. Infine, calibrare l'apparecchiatura utilizzando una bacchetta strumentata con pennarelli intelligenti su di essa, per registrare la posizione 3D degli adesivi. Per iniziare, chiedi a un investigatore di utilizzare lo smartphone e all'altro di utilizzare il computer che controlla il sistema di motion capture 3D.
Chiedi al partecipante di completare una prova pratica. Quindi, apri l'applicazione per smartphone e premi il pulsante di registrazione rosso in basso al centro dello schermo per iniziare la registrazione. Utilizzare carta numerata per indicare il numero di prova sulla registrazione dello smartphone.
Quindi, istruisci il partecipante a camminare al suo ritmo normale e a concentrarsi su un indicatore posizionato sulla parete opposta per aiutare a camminare in linea retta. Dai al partecipante un conto alla rovescia per iniziare dicendo tre, due, uno, via. Quindi, chiedi al partecipante di attraversare le prime due telecamere di motion capture 3D posizionate all'inizio della passerella su entrambi i lati e di camminare verso altre due telecamere posizionate all'altra estremità della passerella su entrambi i lati.
Dopo che il soggetto ha finito di percorrere la distanza di sei metri, conto alla rovescia per la fine della prova dicendo tre, due, uno, stop. Quindi premere ancora una volta il pulsante rosso di registrazione per interrompere la registrazione della prova di camminata. Controlla la posizione di tutti i marcatori dopo ogni prova.
Quindi, sposta il treppiede con lo smartphone alla seconda distanza di quattro metri di distanza per catturare la parte superiore e inferiore del corpo. Chiedi al partecipante di stare in piedi sul punto centrale della passerella, quindi inizia a camminare nello stesso modo di prima. Infine, salva e verifica le registrazioni di motion capture 3D e le registrazioni dello smartphone.
Quindi rimuovi gli indicatori intelligenti. Inizia registrando manualmente l'angolo del ginocchio che viene visualizzato sullo schermo nelle fasi di appoggio del tallone e di stacco della punta del ciclo del passo. Quindi, completa l'analisi delle registrazioni degli smartphone per gli eventi di impatto del tallone e di stacco.
Utilizzare lo stilo per una maggiore precisione del posizionamento dei punti di riferimento per le misurazioni dell'angolo del ginocchio. Quindi, visualizza ciò che è stato appena registrato selezionando il quadrato del video nell'angolo in basso a sinistra dello schermo. Utilizzare la barra di scorrimento alla base dello schermo per selezionare l'inquadratura in cui il soggetto è più vicino all'appoggio del tallone o allo stacco della punta al centro dello schermo.
Quindi, per inserire l'angolo, tocca l'icona della matita bianca nella parte in alto a destra dello schermo. Seleziona l'opzione dell'angolo nel menu a discesa. Scegli un colore preferito e l'indicatore dell'angolo.
Fai scorrere o tocca lo stilo in un punto qualsiasi dello schermo per far cadere l'angolo. Infine, posizionare il centro dell'angolo sull'articolazione del ginocchio, con i vettori che raggiungono l'alto lungo il femore e verso il basso verso i malleoli laterali. Se necessario, ingrandisci posizionando due dita vicine al centro dello schermo e allontanandole lentamente l'una dall'altra.
Sulla base dei risultati, c'è stata una differenza significativa tra le misurazioni dell'angolo da parte del sistema di motion capture 3D e l'applicazione per smartphone. I grafici per le distanze di 4,0 metri e 2,0 metri hanno visualizzato dati più sparsi intorno alla linea di differenza media al centro. Ciò indica che la posizione della telecamera non ha contribuito agli errori nelle misurazioni.
Durante il tentativo di protocollo clinico per l'analisi del movimento video dello smartphone, è importante ricordare che la telecamera deve essere posizionata alla distanza impostata e l'altezza della telecamera è determinata dalla lunghezza della gamba dell'individuo.
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Panoramica
Questo studio verifica la validità concorrente delle misure cinematiche registrate mediante un'applicazione per smartphone rispetto a un sistema di acquisizione del movimento 3D. Il protocollo sviluppato consente ai clinici di acquisire in modo efficace il movimento umano utilizzando smartphone.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Biomeccanica
- Sviluppo di protocolli clinici
- Analisi del movimento umano
Sfondo
- Gli smartphone possono essere utilizzati per l'analisi video del movimento umano.
- I sistemi di acquisizione del movimento 3D rappresentano lo standard di riferimento per le misurazioni cinematiche.
- La validazione delle applicazioni per smartphone può migliorare le pratiche cliniche.
- Le dimostrazioni visive sono essenziali per un'implementazione efficace.
Scopo dello studio
- Stabilire un protocollo clinico valido per la misurazione della cinematica degli arti inferiori.
- Confrontare i dati provenienti da applicazioni per smartphone con i dati tradizionali di rilevamento del movimento.
- Facilitare una configurazione semplice per i clinici in diversi ambienti.
Metodi Utilizzati
- Misurazione di un percorso di sei metri utilizzando un nastro metrico.
- Acquisizione video del movimento umano mediante smartphone.
- Protocollo passo dopo passo da seguire per i clinici.
- Dimostrazione della procedura da parte di studenti laureati coautori.
Risultati principali
- Sviluppo di un metodo affidabile per l'acquisizione di dati cinematici.
- Convalida dell'applicazione per smartphone rispetto all'acquisizione del movimento 3D.
- Migliorata accessibilità per i clinici nell'eseguire l'analisi del movimento.
- Feedback positivo sull'usabilità del sistema basato su smartphone.
Conclusioni
- L'applicazione per smartphone può fornire misurazioni cinematiche valide.
- Questo metodo migliora la fattibilità dell'analisi del movimento in ambito clinico.
- Studi futuri potranno ampliare questo protocollo per applicazioni più ampie.
Domande Frequenti
Rilevanza Industriale del Metodo
L'analisi del movimento basata su smartphone offre un metodo economico e accessibile per la valutazione preliminare della deambulazione nella ricerca esplorativa e traslazionale. Validando i dati cinematici ottenuti tramite smartphone rispetto alla rilevazione del movimento 3D, lo studio supporta la riduzione del rischio meccanicistico nei modelli preclinici in cui sistemi ad alta intensità di risorse risultano impraticabili. Questo approccio consente un fenotipaggio scalabile e riproducibile per la validazione di bersagli terapeutici in ambiti legati a patologie neuromuscolari o alla mobilità.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi di fenotipi locomotori per supportare la verifica di ipotesi sui bersagli in modelli di malattia che interessano l'andatura o la mobilità.
- Valore operativo: Fornisce un sistema standardizzato e di facile accesso per uno screening funzionale iniziale prima di ricorrere a sistemi complessi di acquisizione del movimento.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera dati quantitativi sull'angolo del ginocchio nel piano sagittale al contatto del tallone e al distacco delle dita del piede, pronti per l'analisi in screening basati sui movimenti.
- Valore operativo: Favorisce la standardizzazione del saggio mediante un protocollo per la configurazione dello smartphone, il posizionamento del treppiede e l'applicazione dei marcatori.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita la continuità traslazionale allineando gli esiti locomotori preclinici con parametri cinematici misurabili clinicamente.
- Valore operativo: Consente la riproducibilità tra diversi siti in studi multicentrici mediante l'uso diffuso della tecnologia smartphone.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nei flussi di lavoro della fase iniziale della scoperta fino all'identificazione del capostipite, in cui la funzione locomotoria rappresenta un indicatore fenotipico per il legame al bersaglio o la modulazione del percorso metabolico.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su bersagli neuromuscolari quantificando le deviazioni della deambulazione come biomarcatori funzionali.
- Screening: Permette la preparazione del saggio attraverso protocolli validati e ripetibili di acquisizione video e misurazione degli angoli.
- Analisi: Fornisce parametri cinetici (angolo del ginocchio al contatto del tallone/al distacco della punta) che consentono confronti quantitativi tra diverse condizioni sperimentali.
- Ricerca traslazionale: Allinea le valutazioni precliniche della deambulazione con l'analisi clinica del movimento, favorendo la continuità dei biomarcatori.
- Riutilizzo aziendale: Posiziona l'analisi basata su smartphone come capacità riutilizzabile e decentralizzata per team di ricerca distribuiti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo l'ambiguità nella fenotipizzazione della locomozione.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la scalabilità grazie a un allestimento standardizzato e a requisiti minimi di attrezzatura.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione dello sviluppo consentendo una valutazione precoce ed economicamente vantaggiosa della modulazione funzionale dell'obiettivo.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione degli obiettivi aggiustata per il rischio in base agli effetti misurabili sugli endpoint del movimento.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede una formazione nel posizionamento dei marker, nell'allestimento del treppiede per smartphone e nell'identificazione degli eventi della deambulazione (impatto del tallone/distacco delle dita).
- Necessita di un treppiede, di una clip adattatore e di uno smartphone dotato di un'app compatibile per l'analisi cinematica.
- Esige la standardizzazione della lunghezza del percorso, della distanza della telecamera (2 m o 4 m) e della calibrazione dell'altezza in base alla lunghezza delle gambe.
- Deve tenere conto dell'attenzione agli arti inferiori a distanza ravvicinata e dell'inclusione del tronco a distanza maggiore nella progettazione degli studi.
- Limitato alla misurazione dell'angolo del ginocchio nel piano sagittale; l'analisi degli arti superiori e del tronco richiede ulteriori validazioni.
