スマートフォン（ViMAS）を使用してビデオ運動解析：パイロットスタディ
2017年3月14日
この原稿は、スマートフォンアプリケーションによって記録された運動学的測定の同時有効性を、矢状面内の3Dモーションキャプチャシステムと比較してテストする方法を説明しています。このプロトコルにより、臨床医はスマートフォンをセットアップして、人間の動きをビデオでキャプチャすることができます。
この研究の全体的な目標は、スマートフォン アプリケーションによって記録された運動学的測定値の同時有効性をテストし、それらを 3D モーション キャプチャ システムによって記録された測定値と比較して、有効な臨床プロトコルを開発することです。この臨床プロトコルは、スマートフォンを使用して人の動きをキャプチャし、シンプルでユーザーフレンドリーなセットアップを使用して有効な運動学的測定を提供できるように開発されました。この技術の主な利点は、スマートフォンを診療所や患者の自宅に設置して、人間の動きをビデオ分析できることです。
臨床医は、下肢の運動学の有効な測定値を取得するために、段階的な臨床プロトコルに従うことができるため、この方法を視覚的に実証することが重要です。手順を実証するのは、研究の共著者である大学院生です。まず、メジャーと粘着テープを使用して、6メートルの歩道を測定し、印を付けます。
次に、6メートルの歩道の四隅に4台の3Dモーションキャプチャカメラを配置して、このエリアの歩行を記録します。各カメラを通路の対角線の端に向け、互いに向き合います。次に、参加者をテストエリアに案内し、測定テープを使用して、大転子から両脚の内側くるぶしまでの体重と脚の長さを収集します。
次に、壁に取り付けられたメジャーの隣に裸足で立たせて、高さを測定します。参加者の頭の上に定規を置き、壁に貼られた巻尺から測定値を読み取ります。アダプタークリップを使用してスマートフォンを三脚に取り付けます。
三脚を歩道の中央に対して垂直に、最初に設定された試行から2.0メートル離れた場所に置きます。三脚は、2回目の試行セットのために4.0メートル離れた場所に置く必要があることに注意してください。次に、患者の脚の長さを使用して、各構成の床からカメラレンズまでの高さをメートル単位で計算します。
近傍のカメラ位置である2メートルは、下肢の動きのみを記録および分析するためのものであり、遠距離は下肢と体幹の両方をカバーしています。次に、ベルクロストラップ付きの3つのスマートマーカーのクラスターを、両側の上上上腸骨稜またはASIS、大腿部の外側の3分の1、ふくらはぎの外側の3分の1、および両足の背側に配置します。右と左の上後腸骨棘の間の正中線に 1 つのスマート マーカーを配置します。
3Dモーションキャプチャシステムのキャリブレーションのために、両側の内側と外側の大腿骨顆、内側と外側のくるぶし、および第1つま先と第2つま先の間の水かきのあるスペースの骨のランドマークを示すステッカーを貼ります。最後に、スマートマーカーが貼られた計装されたワンドを使用して機器をキャリブレーションし、ステッカーの3D位置を登録します。まず、1人の調査員がスマートフォンを操作し、もう1人の調査員が3Dモーションキャプチャシステムを制御するコンピューターを操作します。
参加者に模擬試験を完了するように依頼します。次に、スマートフォンアプリを開き、画面下部中央にある赤い録画ボタンを押すと、録画が始まります。番号付きの紙を使用して、スマートフォンの記録に試用番号を示します。
次に、参加者に通常のペースで歩くように指示し、反対側の壁に置かれたマーカーに焦点を合わせて直線で歩くのを助けます。参加者に「3、2、1、go」と言って開始するカウントダウンを送ります。次に、参加者に歩道の両側の始点に設置された最初の2台の3Dモーションキャプチャカメラを渡らせ、歩道の反対側に設置された別の2台のカメラに向かって歩いてもらいます。
被験者が6メートルの距離を歩き終えたら、3、2、1、停止と言って、試行終了までのカウントダウンを行います。次に、赤い録音ボタンをもう一度押して、ウォーキングトライアルの記録を停止します。各試行後にすべてのマーカーで位置を確認します。
次に、スマートフォンを装着した三脚を4メートル離れた2番目の距離まで移動させて、上半身と下半身を撮影します。歩道の中点に立ってもらい、その後、先ほどと同じように歩き始めます。最後に、3Dモーションキャプチャの録画とスマートフォンの録画を保存して確認します。
次に、スマートマーカーを削除します。まず、歩行サイクルのかかとを着地させるフェーズとつま先を離すフェーズで画面に表示される膝の角度を手動で記録します。次に、かかとを打つイベントとつま先を離すイベントのスマートフォンの録音の分析を完了します。
スタイラスを使用すると、膝の角度測定のためのランドマーク配置の精度が向上します。次に、画面の左下隅にあるビデオの正方形を選択して、録画したばかりのビューを表示します。画面の下部にあるスクロールバーを使用して、被写体が画面の中央でヒールストライクまたはつま先オフに最も近いフレームを選択します。
次に、角度を落とすには、画面の右上にある白い輪郭の鉛筆アイコンをタップします。ドロップダウンメニューで角度オプションを選択します。好みの色と角度マーカーを選択します。
スタイラスを画面上の任意の場所にスライドまたはタップして、角度を落とします。最後に、角度の中心を膝関節に置き、ベクトルが大腿骨に沿って上向きに、外側くるぶしに向かって下向きに伸びます。必要に応じて、2本の指を画面の中央に近づけて置き、ゆっくりと引き離してズームインします。
その結果から、3Dモーションキャプチャシステムとスマートフォンアプリによる角度測定には大きな差が見られました。4.0 メートルと 2.0 メートルの距離のプロットには、中央の平均差線の周囲に散らばっているデータが表示されていました。これは、カメラの位置が測定の誤差に寄与しなかったことを示しています。
スマートフォンのビデオ動作分析のための臨床プロトコルを試みる際には、カメラを設定された距離に配置する必要があり、カメラの高さは個人の脚の長さによって決定されることを覚えておくことが重要です。
完全なトランスクリプトを表示し、数千本の科学動画にアクセス
概要
本研究では、スマートフォンアプリケーションで記録されたキネマティクス測定値の同時妥当性を、3Dモーションキャプチャシステムと比較して検証します。開発されたプロトコルにより、臨床医はスマートフォンを用いて効率的に人体動作をキャプチャすることが可能になります。
研究の主要構成要素
科学分野
- バイオメカニクス
- 臨床プロトコルの開発
- ヒト動作解析
背景
- スマートフォンの活用により、ヒトの動作のビデオ解析が可能になります。
- 3Dモーションキャプチャシステムは、キネマティクス測定におけるゴールドスタンダードです。
- スマートフォンアプリの妥当性を検証することで、臨床現場での実践を向上させることができます。
- 効果的に導入するためには、視覚的なデモンストレーションが不可欠です。
研究目的
- 下肢運動学を測定するための有効な臨床プロトコルを確立すること。
- スマートフォンアプリケーションのデータと従来のモーションキャプチャデータを比較すること。
- 多様な環境において、臨床医が容易にセットアップできるようにすること。
使用した手法
- テープを使用した6mの歩行路の測定。
- スマートフォンを用いたヒトの動作のビデオキャプチャ。
- 臨床医が従うためのステップバイステップのプロトコル。
- 大学院生の共著者による手順のデモンストレーション。
主な結果
- 運動学的データのキャプチャのための信頼性の高い手法の確立。
- 3Dモーションキャプチャに対するスマートフォンアプリケーションの検証。
- 臨床医が動作分析を行うためのアクセシビリティの向上。
- スマートフォンのセットアップのユーザビリティに関する肯定的なフィードバック。
結論
- スマートフォンアプリケーションによって、有効な運動学的測定を行うことが可能です。
- この手法により、臨床現場における動作分析の実現可能性が高まります。
- 今後の研究において、本プロトコルをより幅広い用途に拡張して活用することが期待されます。
よくある質問
産業界における重要性
スマートフォンベースの動作解析は、初期探索研究やトランスレーショナルリサーチにおける予備的な歩行評価のための、低コストでアクセシビリティの高い手法を提供します。スマートフォンのキネマティクス出力を3Dモーションキャプチャで検証することで、リソース集約的なシステムの導入が困難な前臨床モデルにおいて、メカニズム的なリスク低減を支援します。このアプローチにより、神経筋疾患や移動能力に関連する治療領域におけるターゲット検証のための、拡張性と再現性のあるフェノタイピングが可能になります。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期発見およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：歩行や可動性に影響を及ぼす疾患モデルにおいて、ターゲットの仮説検証を裏付けるための運動表現型の解析を可能にする。
- 運用的価値：複雑なモーションキャプチャを導入する前の初期機能スクリーニングに向けた、標準化された導入ハードルの低いシステムを提供する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 動作ベースのスクリーニングにおけるアッセイ準備のため、踵接地時およびつま先離地時における矢状面の膝関節角度の定量的なデータを生成します。
- 運用的価値： プロトコル化されたスマートフォンの設定、三脚の配置、およびマーカーの貼付により、アッセイの標準化を支援します。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値： 前臨床の運動能力結果を臨床的に測定可能な運動学的エンドポイントと一致させることで、トランスレーショナルな連続性を促進する。
- 運用の価値： 普及しているスマートフォン技術を用いることで、多施設共同研究における施設間の再現性を可能にする。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、運動機能がターゲットへの結合またはパスウェイ調節の表現型リードアウトとして機能する、初期探索からリード同定に至るワークフローに適しています。
- ディスカバリーバイオロジー：歩行偏差を機能的バイオマーカーとして定量化することにより、神経筋標的の仮説検証を支援します。
- スクリーニング：検証済みで再現性のあるビデオキャプチャおよび角度測定プロトコルを通じて、アッセイの準備を可能にします。
- アナリティクス：キネマティック・リードアウト（踵接地時および離地時の膝関節角度）を提供し、実験条件間の定量的な比較を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ：前臨床の歩行評価を臨床的な動作分析と整合させ、バイオマーカーの連続性を支援します。
- エンタープライズ再利用：スマートフォンベースの解析を、分散した研究チームにとって再利用可能な分散型機能として位置づけます。
運用および企業への影響
- 科学的価値：運動表現型の解析における曖昧さを排除することで、ターゲットバリデーションの予測信頼性を向上させる。
- 運用上の価値：標準化されたセットアップと最小限の設備要件により、再現性と拡張性を高める。
- 戦略的価値：機能的ターゲット変調の早期かつ費用対効果の高い評価を可能にし、go/no-go判断を改善する。
- ポートフォリオへの影響：運動エンドポイントへの測定可能な影響に基づいた、リスク調整済みのターゲット優先順位付けを支援する。
実施上の検討事項
- マーカーの配置、スマートフォンの三脚設置、および歩行イベント（踵接地/離地）の識別のトレーニングが必要です。
- 三脚、アダプタークリップ、および互換性のある運動学的解析アプリをインストールしたスマートフォンが必要です。
- 歩行路の長さ、カメラ距離（2mまたは4m）、および脚長に基づく高さキャリブレーションの標準化が求められます。
- 研究設計において、近距離では下肢に焦点を当て、遠距離では体幹を含める必要があることを考慮しなければなりません。
- 測定は矢状面の膝関節角度に限定されており、上肢および体幹の解析にはさらなる検証が必要です。
