Przekwalifikowanie ruchu z wykorzystaniem informacji zwrotnej o wydajności w czasie rzeczywistym

Podsumowanie

Trenowanie nieprawidłowych wzorców ruchowych po kontuzji lub chorobie jest kluczowym elementem rehabilitacji fizycznej. Ostatnie postępy technologiczne umożliwiły dokładną ocenę ruchu podczas różnych zadań, z niemal natychmiastową kwantyfikacją wyników. Daje to nowe możliwości modyfikacji błędnych wzorców ruchowych w czasie rzeczywistym.

Streszczenie

Każda modyfikacja ruchu - szczególnie wzorce ruchowe, które były doskonalone przez wiele lat - wymaga reorganizacji wzorców nerwowo-mięśniowych odpowiedzialnych za zarządzanie wydajnością ruchową. To uczenie się motoryczne można wzmocnić za pomocą wielu metod, które są wykorzystywane zarówno w badaniach, jak i klinicznych. Ogólnie rzecz biorąc, werbalna informacja zwrotna o wydajności w czasie rzeczywistym lub wiedza o wynikach po ruchu jest powszechnie stosowana klinicznie jako wstępny sposób wpajania uczenia się motorycznego. W zależności od preferencji pacjenta i stylu uczenia się, wizualna informacja zwrotna (np. za pomocą lustra lub różnych rodzajów wideo) lub wskazówki proprioceptywne z wykorzystaniem dotyku terapeuty są wykorzystywane jako uzupełnienie ustnych instrukcji terapeuty. Rzeczywiście, połączenie tych form informacji zwrotnej jest powszechne w warunkach klinicznych, aby ułatwić uczenie się motoryczne i zoptymalizować wyniki.

Laboratoryjna, ilościowa analiza ruchu była podstawą w warunkach badawczych, aby zapewnić dokładną i obiektywną analizę różnych ruchów w populacjach zdrowych i rannych. Chociaż rzeczywiste mechanizmy rejestrowania ruchów mogą się różnić, wszystkie obecne systemy analizy ruchu opierają się na możliwości śledzenia ruchu segmentów ciała i stawów oraz wykorzystywania ustalonych równań ruchu do ilościowego określania kluczowych wzorców ruchowych. Ze względu na ograniczenia w szybkości akwizycji i przetwarzania, analiza i opis ruchów tradycyjnie odbywały się w trybie offline po zakończeniu danej sesji testowej.

Ten artykuł przedstawi nowe uzupełnienie standardowych technik analizy ruchu, które opiera się na niemal natychmiastowej ocenie i kwantyfikacji wzorców ruchowych oraz wyświetlaniu pacjentowi określonych cech ruchu podczas sesji analizy ruchu. W rezultacie, ta nowatorska technika może zapewnić nową metodę dostarczania informacji zwrotnej, która ma przewagę nad obecnie stosowanymi metodami informacji zwrotnej.

Wprowadzenie

Każda znacząca zmiana w strukturze nerwowo-mięśniowej lub mięśniowo-szkieletowej kończyny dolnej prawdopodobnie będzie miała wpływ na charakterystykę ruchu i związane z nim funkcje fizyczne. W związku z tym poprawa sprawności fizycznej jest ważnym wynikiem każdej interwencji rehabilitacyjnej. Normalne, powtarzające się ruchy, takie jak chodzenie, są na ogół regulowane przez programy motoryczne, które zawierają niezbędne informacje sterujące potrzebne do aktywacji mięśni z odpowiednią intensywnością i czasem¹. Te programy motoryczne są niezbędne do poprawy automatyzmu ruchu, zmniejszając w ten sposób ilość kontroli poświęconej ruchowi i pozwalając na skupienie uwagi na innych zadaniach wyższego poziomu. Jednak biorąc pod uwagę rolę programów motorycznych w ruchu i fakt, że programy te są udoskonalane przez wiele lat, zmiana wydajności ruchowej po urazie lub chorobie jest trudnym przedsięwzięciem.

Tradycyjnie, interwencje związane z przekwalifikowaniem ruchowym polegały na dostarczeniu wystarczającej ilości informacji zwrotnych na temat wydajności ruchowej, aby zapewnić, że nowe informacje zostaną włączone do nowego i rozwijającego się programu motorycznego. Proste, ale skuteczne podejścia obejmują słowną informację zwrotną z ogólnymi instrukcjami (np. "zegnij się bardziej", "trzymaj kolano prosto"), a także mechanizmy przekazywania wizualnej informacji zwrotnej, takie jak użycie lustra lub urządzeń rejestrujących wideo. Chociaż te pośrednie strategie są przydatne, zwłaszcza w warunkach klinicznych o ograniczonych zasobach, są one ograniczone przez trudności w dostarczaniu dyskretnych i wymiernych pomiarów zmiennych ruchowych. W rezultacie, uzupełnienie tych technik o dodatkowe, bardziej bezpośrednie metody informacji zwrotnej prawdopodobnie poprawi pożądane ponowne uczenie się motoryczne.

W społecznościach badawczych i klinicznych panuje powszechna akceptacja, że dostarczanie informacji zwrotnych na temat dyskretnych, mierzalnych wyników charakterystyki ruchu może poprawić wydajność podczas interwencji przekwalifikowania ruchu. Na przykład natychmiastowe wizualne lub słuchowe sprzężenie zwrotne intensywności aktywacji mięśni za pomocą elektromiograficznych urządzeń do biofeedbacku stało się podstawą rehabilitacji ruchowej, szczególnie u osób z udarem^2-3, porażeniem mózgowym⁴ lub przewlekłą porażeniem połowiczym⁵. W przeciwieństwie do tego, sprzężenie zwrotne kinematyki ruchu (kąty połączeń i segmentów) okazało się mniej wykorzystywane ze względu na trudności w szybkiej i dokładnej ocenie i pomiarze tych wyników. Rzeczywiście, chociaż ilościowa, laboratoryjna analiza ruchu zajmuje ważne miejsce w badaniach biomechanicznych i zaczęła być włączana do warunków klinicznych, zdecydowana większość zastosowań analizy ruchu jest zarezerwowana dla analizy offline po testowaniu. Jednak w literaturze pojawia się coraz więcej badań, w których wykorzystuje się nowe technologie do dostarczania informacji zwrotnych na temat pomiarów chodu jako sposobu na poprawę skuteczności przekwalifikowania ruchowego⁶.

Jedną z patologii, która jest obecnie badana pod kątem wykorzystania możliwości biofeedbacku w czasie rzeczywistym zintegrowanych ze standardowymi systemami analizy ruchu, jest choroba zwyrodnieniowa stawu kolanowego (OA). W ostatnich badaniach wykorzystano sprzężenie zwrotne kinematyki chodu w czasie rzeczywistym, zaprojektowane specjalnie w celu zmniejszenia obciążenia przechodzącego przez staw kolanowy, określone ilościowo za pomocą zewnętrznego momentu przywodzenia kolana - uznanego czynnika ryzyka progresji choroby zwyrodnieniowej^{stawów 7}. Na przykład w badaniach wykorzystano biofeedback w czasie rzeczywistym o wielkości kąta uda⁸ lub kąta tułowia^9-10. Hunt i wsp.¹¹ przedstawili wyświetlanie w czasie rzeczywistym kąta tułowia przed uczestnikami podczas prób chodzenia i wykazali zdolność do zwiększenia wykazywanego pochylenia tułowia w ciągu jednej sesji treningowej, przy jednoczesnym zmniejszeniu wielkości momentu przywodzenia kolana. W przeciwieństwie do tego, Barrios i wsp.8 przeprowadzili ośmiosesyjną interwencję w zakresie treningu chodu, koncentrując się na modyfikacji dynamicznego kąta kolana w płaszczyźnie czołowej podczas postawy i wykazali znaczne zmniejszenie wartości momentu przywodzenia kolana po miesięcznej interwencji w porównaniu z wartością wyjściową. Badania te, jak i podobne badania, opierały się na zdolności do mierzenia, analizowania i wyświetlania zmiennej, która jest interesująca dla pacjenta w sposób ciągły. Ten rozwijający się obszar badań ma implikacje kliniczne dla pacjentów z różnymi patologiami, które wpływają na charakterystykę ruchu. Posługując się przykładami zmian kinematycznych związanych z chorobą zwyrodnieniową stawów kolanowych (OA), celem niniejszego artykułu jest opisanie metod wymaganych do przeprowadzenia interwencji w zakresie przekwalifikowania ruchu z wykorzystaniem biofeedbacku w czasie rzeczywistym dotyczącego wydajności chodu.

Protokół

1. Przygotowanie systemu

1. Wyczyść objętość przechwytywania wszelkich materiałów odbijających światło, które mogą być obserwowane przez kamery. Zmniejsza to ryzyko pomylenia rzeczywistych markerów skórnych ze stacjonarnymi markerami tła podczas testowania ruchu i poprawia ogólną dokładność sesji.
2. Kalibrację kamer można przeprowadzić, kierując wszystkie kamery na nieruchome znaczniki w stałych pozycjach w laboratorium. Rozszerz kalibrację statyczną na ruchy dynamiczne przy użyciu ruchomych znaczników umieszczonych w znanych odległościach. Upewnij się, że pokryłeś jak największą objętość przechwytywania, aby zoptymalizować kalibrację.
3. Uporządkuj wszystkie materiały (znaczniki odblaskowe, urządzenia pomiarowe itp.), które mają być użyte do przygotowania pacjenta. Poprawia to wydajność podczas testów i zmniejsza obciążenie pacjenta.

2. Przygotowanie pacjenta

1. Odsłoń jak najwięcej skóry na stawach i segmentach ciała, które mają być mierzone. Zminimalizuj ilość luźnej odzieży i upewnij się, że wszelkie elementy odzieży, które mogą zakłócać zdolność kamer do wizualizacji odblaskowych znaczników, są ograniczone. Można to zrobić za pomocą taśmy lub klipsów. Jeśli to możliwe, upewnij się, że markery są przymocowane bezpośrednio do skóry.
2. Przygotuj skórę do utrwalenia markera. Golenie lub ścieranie obszaru może być konieczne w przypadkach, gdy obecne są włosy lub gdy powierzchnia skóry jest nadmiernie spocona lub tłusta. Przydatne może być wytarcie obszaru za pomocą alkoholu lub podobnego płynu. Te kroki są ważne, aby zmaksymalizować przyleganie markera do skóry i zapobiec odpadaniu markerów.
3. Badanie palpacyjne dla kluczowych anatomicznych punktów orientacyjnych na podstawie zestawu markerów, które mają być użyte. Oznaczenie skóry w rzeczywistym punkcie orientacyjnym poprawi dokładność umieszczania znaczników i dostarczy informacji niezbędnych w przypadku odpadania znaczników podczas oceny.
4. Umieść odblaskowe znaczniki na anatomicznych punktach orientacyjnych zgodnie ze specyfikacją zestawu znaczników. Większość zestawów markerów będzie zawierała co najmniej 12-15 markerów umieszczonych obustronnie nad kończynami dolnymi i różnymi anatomicznymi punktami orientacyjnymi górnej części ciała. Ważne jest, aby pamiętać, że zdolność do odtworzenia rzeczywistego ruchu szkieletu będzie zależeć od umiejscowienia markerów na skórze. W związku z tym należy dokładnie rozważyć przy określaniu modelu biomechanicznego, który ma być używany.
5. W razie potrzeby wykonaj pomiary ważnych danych antropometrycznych. W zależności od modelu biomechanicznego, dane te mogą być potrzebne do obliczenia długości segmentów, położenia wspólnych środków obrotu oraz ogólnych właściwości bezwładności ruchomych segmentów i kończyn podczas przetwarzania danych biomechanicznych w trybie offline.

3. Analiza ruchu i dostarczanie informacji zwrotnych w czasie rzeczywistym

1. Niech badany stanie w środku objętości przechwytywania w celu przeprowadzenia wstępnej próby statycznej trwającej około 3 sekund. Próba ta jest konieczna, aby upewnić się, że wszystkie istotne markery są widoczne i obliczyć orientację segmentów.
2. Korzystając z oprogramowania do zbierania danych, oznacz wszystkie znaczniki jako odpowiednie i utwórz szablon specyficzny dla cech antropometrycznych danej osoby. Dopasowanie rozmieszczenia znaczników do indywidualnego rozmiaru ciała poprawi śledzenie i analizę danych w czasie rzeczywistym. Szczególnie ważne jest stworzenie modelu ruchu, który może uwzględniać nadmiarowość pozycjonowania znaczników. W przypadkach, gdy dochodzi do okluzji lub spadku markera, możliwość wykorzystania dodatkowych pozycji znaczników w stosownych przypadkach w celu uzyskania odpowiedniej charakterystyki kinematycznej i utrzymania wyświetlania w czasie rzeczywistym bez przerw w danych.
3. Wykonaj wstępną próbę analizy ruchu trwającą od 10-30 sek. Jest to wymagane do uzyskania danych wyjściowych i może być również wykorzystywane jako pierwszy mechanizm przekazywania pacjentowi informacji zwrotnej o wynikach. Konsultacja z pacjentem w sprawie istotnych wyników jest ważna, aby pomóc w uczeniu się motorycznym wymaganym podczas tworzenia nowych wzorców ruchowych.
4. Poproś terapeutę, aby wyjaśnił cel zamierzonej modyfikacji ruchu. Powinno to obejmować zarówno biomechaniczne, jak i kliniczne uzasadnienie modyfikacji oraz to, w jaki sposób jest ona unikalna dla danej patologii. Demonstracja modyfikacji ruchu przez terapeutę poprawi uczenie się motoryczne pacjenta. Modyfikacja ruchu jest zazwyczaj określana na podstawie biomechanicznego i klinicznego obrazu pacjenta podczas leczenia lub pytania badawczego, które ma być zbadane, jeśli wyłącznie w celach badawczych.
5. Rozpocznij sesję treningu ruchowego. Jeśli korzystasz z bieżni, pozwól badanemu wybrać preferowaną prędkość i daj kilka minut na osiągnięcie stanu ustalonego. Pozwala to również pacjentowi zapoznać się i poczuć się komfortowo ze sprzętem, konfiguracją eksperymentalną i protokołem.
6. Przekaż pacjentowi informację zwrotną podczas wykonywania ruchu. Może to przybrać formę wielu różnych podejść, a ich połączenie jest korzystne podczas wczesnego treningu. Zacznij od mniej technicznych metod, takich jak werbalna informacja zwrotna i przejdź do biofeedbacku w czasie rzeczywistym. Wykorzystanie biofeedbacku w czasie rzeczywistym powinno zawsze obejmować wyraźne wyświetlanie maksymalnie jednej zmiennej wynikowej na raz.
7. Daj pacjentowi wystarczająco dużo czasu na przećwiczenie nowego ruchu. Skuteczne uczenie się motoryczne nie osiąga się natychmiast. Zamiast tego, ciągłe ćwiczenie nowych cech ruchowych pomoże w zapewnieniu ponownego sformułowania programu motorycznego odpowiedzialnego za ten ruch. Typowa interwencja przekwalifikowania może wymagać 8-10 ukierunkowanych sesji treningowych, z których każda trwa od 30 do 60 minut.

4. Odprawa pacjenta i kolejne sesje treningowe

1. Omów z pacjentem ważne wnioski i wyniki sesji. Ważnymi czynnikami, na których należy się skupić, powinny być zmienność wydajności, przestrzeganie zalecanej modyfikacji ruchu oraz dalszy opis uzasadnienia i znaczenia modyfikacji.
2. Uzyskaj informacje dotyczące sesji od pacjenta. Biorąc pod uwagę, że preferencje każdego pacjenta będą się prawdopodobnie różnić, może być konieczna modyfikacja sposobu świadczenia interwencji dla danej osoby. Należy je wcześnie zidentyfikować, aby zoptymalizować skuteczność.
3. Ustal plan na kolejne sesje treningowe, jeśli zajdzie taka potrzeba. Jeśli wybrana zostanie interwencja wielosesyjna, kolejne sesje treningowe powinny wykorzystywać podejście oparte na wyblakłej informacji zwrotnej, aby wzmocnić uczenie się motoryczne. Udzielaj mniej ogólnych informacji zwrotnych i naprzemiennie udzielaj informacji zwrotnych w blokach czasowych i nie udzielaj informacji zwrotnych w przyszłych sesjach.

Wyniki

Przykład z sesji przekwalifikowania pojedynczego ruchu, skupiającej się na zwiększonym kącie pochylenia bocznego tułowia u pacjenta z chorobą zwyrodnieniową stawu kolanowego, pokazano na rysunku 2. Po około 15 minutach treningu wykorzystującego kombinację werbalnej i lustrzanej informacji zwrotnej o wydajności, pacjent otrzymał dane w czasie rzeczywistym dotyczące stopnia zgięcia bocznego tułowia. Trening tą metodą trwał dodatkowo 10 minut. Podczas normalnych (niezmodyfikowanych) badań pacjent wykazywał ...

Dyskusja

Informacje zwrotne w czasie rzeczywistym na temat wydajności podczas ruchów, takich jak chodzenie, mogą być cennym uzupełnieniem standardowych podejść do analizy ruchu. Choć w stosunkowo powijakach, badania nad specyficznymi i dyskretnymi modyfikacjami ruchu z pewnością skorzystają na możliwości uzyskania pożądanej modyfikacji z dokładnością i w czasie rzeczywistym. Na przykład, jeśli pacjent wymaga określonej modyfikacji ruchu, ilość ta może być zmierzona i dostarczona podczas rzeczywistego ruchu. Przedstawione tutaj po...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Markery odblaskowe	3x3 Konstrukcja		Średnica 12 mm
Taśma markerowa Dyski	Rabat Jednorazowe	TD-22 Kołnierz elektrodowy, 8 mm	Zaprojektowane zastosowanie to kołnierze elektrod
Kamery do analizy ruchu	Korporacja
Analiza ruchu Biofeedtrak	Korporacja
Matlab	The Mathworks