Uchwycenie reprezentatywnego użycia dłoni w domu za pomocą egocentrycznego wideo u osób z upośledzeniem kończyn górnych

Podsumowanie

Protokół jest proponowany do uchwycenia naturalnej funkcji ręki osób z upośledzeniem ręki podczas ich codziennych czynności za pomocą egocentrycznej kamery. Celem protokołu jest zapewnienie, że nagrania są reprezentatywne dla typowego użycia dłoni przez daną osobę podczas codziennych czynności w domu.

Streszczenie

Upośledzone funkcjonowanie ręki po urazach neurologicznych może mieć duży wpływ na niezależność i jakość życia. Większość istniejących ocen kończyn górnych jest przeprowadzana osobiście, co nie zawsze wskazuje na używanie rąk w społeczności. Potrzebne są nowatorskie podejścia do uchwycenia funkcji ręki w życiu codziennym, aby zmierzyć rzeczywisty wpływ interwencji rehabilitacyjnych. Zaproponowano egocentryczne wideo w połączeniu z komputerowym widzeniem do automatycznej analizy w celu oceny użycia dłoni w domu. Istnieją jednak ograniczenia co do czasu trwania ciągłych nagrań. Przedstawiamy protokół mający na celu zapewnienie, że uzyskane filmy są reprezentatywne dla codziennej rutyny, przy jednoczesnym poszanowaniu prywatności uczestników.

Reprezentatywny harmonogram nagrywania jest wybierany w procesie współpracy między badaczami i uczestnikami, aby zapewnić, że filmy rejestrują naturalne zadania i wydajność, a jednocześnie są przydatne do oceny ręki. Uczestnikom demonstruje się korzystanie ze sprzętu i procedur. Łącznie na dwa tygodnie zaplanowano 3 godziny nagrań wideo. Aby zmniejszyć obawy dotyczące prywatności, uczestnicy mają pełną kontrolę nad rozpoczynaniem i zatrzymywaniem nagrań oraz możliwość edycji filmów przed zwróceniem ich do zespołu badawczego. Zapewnione są przypomnienia, a także telefony pomocy i wizyty domowe w razie potrzeby.

Protokół został przetestowany z 9 osobami, które przeżyły udar i 14 osobami z uszkodzeniem rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym. Uzyskane filmy zawierały różne czynności, takie jak przygotowywanie posiłków, zmywanie naczyń i robienie na drutach. Uzyskano średnio 3,11 ± 0,98 h materiału wideo. Okresy nagrywania wahały się od 12 do 69 dni, w niektórych przypadkach z powodu choroby lub nieoczekiwanych zdarzeń. Dane udało się uzyskać od dwudziestu dwóch z 23 uczestników, z których 6 wymagało pomocy badaczy w okresie nagrywania w domu. Protokół okazał się skuteczny w gromadzeniu filmów, które zawierały cenne informacje na temat funkcji ręki w domu po urazach neurologicznych.

Wprowadzenie

Funkcja ręki jest wyznacznikiem niezależności i jakości życia w populacjach klinicznych z upośledzeniem kończyn górnych^1,2. Uchwycenie funkcji ręki u osób z upośledzeniem ręki w domu ma zasadnicze znaczenie dla oceny postępów w zakresie ich zdolności do wykonywania czynności życia codziennego (ADL) w trakcie rehabilitacji i po jej zakończeniu. Większość klinicznych ocen funkcji ręki przeprowadza się w środowisku klinicznym lub laboratoryjnym, a nie w domu^3,4. Istniejące kliniczne oceny funkcji ręki, które mają na celu uchwycenie wpływu na ADL w domu, są kwestionariuszami i opierają się na subiektywnych ocenach zgłaszanych przez samych siebie^5,6,7. Obiektywna ocena, która pozwoliłaby ocenić ostateczny wpływ rehabilitacji na funkcjonowanie ręki w domu, jest nadal niedostępna.

W ostatnich latach opracowano i zaimplementowano wiele technologii ubieralnych w celu uchwycenia funkcji kończyn górnych w rzeczywistych środowiskach. Czujniki do noszenia, takie jak akcelerometry i inercyjne jednostki pomiarowe (IMU), są powszechnie używane do pomiaru ruchów kończyn górnych w życiu codziennym. Jednak urządzenia te zazwyczaj nie rozróżniają, czy wykryte epoki należą do funkcjonalnych ruchów kończyn górnych^8,9, zdefiniowanych jako celowe ruchy mające na celu wykonanie pożądanego zadania. Na przykład niektóre czujniki do noszenia są wrażliwe na obecność wymachów kończyn górnych podczas chodzenia, co nie jest funkcjonalnym ruchem kończyny górnej. Co więcej, chociaż akcelerometry noszone na nadgarstku rejestrują ruchy kończyn górnych, nie są w stanie uchwycić szczegółów funkcji ręki w rzeczywistych środowiskach. Rękawice z sensoryką pozwalają na uchwycenie bardziej szczegółowych informacji na temat manipulacji dłonią¹⁰, ale mogą być uciążliwe dla osób, których funkcja i czucie dłoni są już upośledzone. Zaproponowano również podejścia do noszenia na ciele w celu rejestrowania ruchów palców za pomocą magnetometrii lub akcelerometrów noszonych na palcach^11,12,13, ale funkcjonalna interpretacja tych ruchów pozostaje wyzwaniem¹⁴. Tak więc, chociaż wcześniej proponowane urządzenia ubieralne są małe i wygodne w użyciu, są niewystarczające, aby opisać szczegóły i kontekst funkcjonalny użytkowania dłoni.

Zaproponowano kamery do noszenia, aby wypełnić te luki i uchwycić szczegóły funkcji ręki podczas ADL w domu do zastosowań neurorehabilitacyjnych^{15,16,17,18,19}. Zautomatyzowana analiza egocentrycznych filmów wideo przy użyciu widzenia komputerowego ma znaczny potencjał w zakresie ilościowego określania funkcji ręki w kontekście, dostarczając informacji zarówno o samych rękach, jak i o zadaniach wykonywanych w rzeczywistych ADLs²⁰. Z drugiej strony czas trwania ciągłych nagrań jest zwykle ograniczony do około 1 do 1,5 godziny ze względu na baterię, przechowywanie i komfort. Tutaj, w ramach tych ograniczeń, przedstawiamy egocentryczny protokół gromadzenia wideo, którego celem jest uzyskanie danych, które są zarówno reprezentatywne dla codziennego życia danej osoby, jak i dostarczają informacji do oceny funkcji ręki.

Protokół

Badanie zostało zatwierdzone przez Komisję Etyki Badań (Research Ethics Board) University Health Network. Przed włączeniem do badania od każdego uczestnika uzyskano podpisaną świadomą zgodę. Podpisana świadoma zgoda została również uzyskana od wszystkich opiekunów lub członków gospodarstwa domowego, którzy pojawili się na nagraniach wideo.

1. Weryfikacja przydatności protokołu dla danej osoby

UWAGA: Niniejszy protokół jest przeznaczony dla osób z upośledzoną, ale nie całkowicie utraconą sprawnością rąk (konkretne kryteria można dostosować do badanej populacji i/lub problemu badawczego).

1. Zapytaj uczestników, czy ręce objęte schorzeniem wpływają na ich zdolność do wykonywania codziennych czynności życiowych (ADL).
   UWAGA: Zaleca się poproszenie uczestników o podanie przykładów zadań, które mogą i których nie mogą wykonywać samodzielnie za pomocą chorych rąk.
2. Zweryfikuj, czy łączny wynik w Montrealskiej Skali Oceńnia Poznawczego (MoCA) przekracza 21 punktów, aby uniknąć potencjalnych trudności w zrozumieniu i przestrzeganiu procedur protokołu.

2. Określenie rutyny dziennej uczestników

1. Poproś uczestników o przypomnienie sobie ich codziennych rutyn z ostatnich dwóch tygodni. Udokumentuj, jakie czynności codzienne są wykonywane, przez jaki czas i mniej więcej o której godzinie.
2. W porozumieniu z uczestnikami wybierz 3 przedziały czasowe po 1,5 h każdy, podczas których zostaną nagrane filmy. Wybierz przedziały czasowe rozłożone na różne dni tygodnia, które przypadają na czas, gdy czynności życia codziennego (ADL) angażujące dłonie są zazwyczaj wykonywane sekwencyjnie.
   UWAGA: Wybrane ADL muszą być reprezentatywne dla typowych aktywności każdego uczestnika i być przez nich postrzegane jako istotne. Planowanie okresów nagrywania w różne dni ma na celu zwiększenie różnorodności rejestrowanych ADL oraz ułatwienie gromadzenia użytecznych i znaczących danych.
   UWAGA: Przedziały czasowe nagrywania są planowane w celu zapewnienia efektywności rejestracji, jednak uczestnicy powinni mieć świadomość, że mają pełną kontrolę nad momentem rozpoczęcia i zakończenia nagrań.

3. Uzgodnienie harmonogramu nagrań oraz docelowej treści wideo z uczestnikami

1. Uzyskać zgodę każdego uczestnika na harmonogramy nagrań, po omówieniu wszelkich ewentualnych wątpliwości.
2. Wyznaczyć cel w postaci 3 h nagrań wideo w ciągu dwóch tygodni. Poinformować uczestników, że niewystarczająca liczba materiałów wideo może prowadzić do przedłużenia okresu nagrywania.

4. Podkreślenie znaczenia naturalnego wykonywania czynności życia codziennego (ADL)

1. Poinstruuj uczestników, aby skupili się na rejestrowaniu realistycznych rutyn, zamiast określać konkretne czynności do nagrania. Celem tej instrukcji jest zapobieganie sztucznemu rejestrowaniu przez uczestników określonych aktywności w ilości większej niż ma to miejsce w ich typowym zachowaniu.

5. Powiadomienie o potencjalnych problemach z prywatnością podczas nagrań w domu

1. Upewnij się, że uczestnicy rozumieją, iż wszystkie nagrania powinny odbywać się w ich domach, a nie w miejscach publicznych, aby uniknąć problemów związanych z prywatnością.
2. Podaj kilka przykładów sytuacji, które mogą budzić zastrzeżenia dotyczące prywatności, takich jak kąpiel, ubieranie się/rozbieranie oraz przeglądanie poufnych informacji. Przypomnij uczestnikom o lustrach, w których ich twarze mogą być widoczne na nagraniach.
3. Zasugeruj uczestnikom, aby w miarę możliwości unikali obecności innych osób, takich jak członkowie rodziny lub opiekunowie, na nagraniach wideo.
   UWAGA: W kontekście badań naukowych, w przypadkach, gdy obecność innych osób jest nieunikniona, należy uzyskać od tych osób świadomą zgodę.

6. Instrukcja obsługi kamery i tabletu

UWAGA: Jeśli uczestnicy wskażą podczas pierwszego kontaktu, że wymagają pomocy opiekuna w wielu codziennych czynnościach, zaleca się, aby opiekun również uczestniczył w wizycie badawczej i przeszedł szkolenie z obsługi sprzętu, tak aby mógł później pomagać uczestnikowi.

1. Zaprezentuj uczestnikom sposób obsługi kamery egocentrycznej (Tabela materiałów).
   1. Zademonstruj, jak włączać i wyłączać kamerę.
   2. Zademonstruj, jak sterować nagrywaniem (start, pauza, stop) za pomocą kamery.
2. Jeśli dotyczy, zaprezentuj sposób obsługi tabletu (Tabela materiałów) z preinstalowaną aplikacją kamery w celu sterowania nagraniami.
   UWAGA: Demonstracja obejmuje sterowanie nagraniami z poziomu aplikacji kamery, a także odtwarzanie i edycję (np. przycinanie lub usuwanie) nagranych filmów. Pierwotnie rozważano użycie zdalnego sterowania kamerą (Pliki uzupełniające), jednak w praktyce nie zostało ono wykorzystane, ponieważ uczestnicy swobodnie posługiwali się kamerą lub tabletem do uruchamiania i zatrzymywania nagrań.
   1. Zademonstruj, jak włączać i wyłączać tablet.
   2. Zademonstruj, jak połączyć tablet z kamerą poprzez aplikację kamery.
   3. Zademonstruj, jak sterować nagraniami z poziomu aplikacji kamery.
   4. Zademonstruj, jak przeglądać nagrane filmy w aplikacji kamery.
   5. Zademonstruj, jak przycinać lub usuwać filmy w aplikacji kamery.
3. Zaprezentuj sposób zakładania i zdejmowania kamery przy użyciu elastycznej opaski na głowę, dopasowanej do rozmiaru głowy uczestnika.
   UWAGA: Patrz Rysunek 1.
   
   Rysunek 1. Konfiguracja kamery noszonej. (A) Pozycjonowanie kamery egocentrycznej. (B) Kąt widzenia z kamery. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
   1. Umieść kamerę na czole uczestnika. Dostosuj opaskę tak, aby kamera była zamocowana wygodnie i stabilnie.
   2. Upewnij się, że kamera jest ustawiona pod optymalnym kątem względem czoła.
   3. Poproś uczestników o nagranie krótkiego fragmentu wideo podczas poruszania dłońmi przed sobą i manipulowania obiektem (np. tabletem).
   4. Przejrzyj nagrane wideo i upewnij się, że obie dłonie były wyraźnie widoczne w centralnej części kadru podczas wykonywania zadań manipulacyjnych.
   5. Ćwicz obsługę kamery i tabletu z uczestnikami oraz ich opiekunami, aż wykażą się biegłością w ich użytkowaniu.

7. Przekazanie sprzętu

1. Przekaż uczestnikom zestaw zawierający cały sprzęt niezbędny do rejestrowania czynności życia codziennego (ADL) w domu. Oprócz kamery i tabletu zestaw obejmuje dodatkowe akumulatory do kamery, ładowarki do kamery i tabletu, kable ładujące, opaskę na głowę do kamery oraz wydrukowany zestaw wytycznych dotyczących obsługi kamery (patrz Materiały uzupełniające).

8. Rozwiązywanie problemów eksperymentalnych i działania następcze

1. Przekaż dane kontaktowe do badaczy, aby pomóc w rozwiązaniu problemów podczas właściwych nagrań w domu. Po tygodniu badacze dzwonią do uczestników, aby udokumentować postępy w nagrywaniu i rozwiązać ewentualne problemy techniczne.

9. Pobieranie sprzętu i filmów

1. Odbierz cały sprzęt i materiały wideo od uczestników osobiście lub za pomocą opłaconych przesyłek pocztowych.
2. Upewnij się, że uczestnicy zgadzają się na udostępnienie wszystkich zwróconych filmów. Zachęca się uczestników do przejrzenia wszystkich zebranych nagrań przed ich przekazaniem zespołowi badawczemu i usunięcia wszelkich fragmentów, których nie chcą udostępnić.
3. W przypadku badań naukowych przejrzyj zwrócone nagrania i sprawdź, czy w filmach nie pojawiają się osoby, które nie wyraziły na to zgody. Jeśli tak, wyślij formularze zgody lub zadzwoń do osób widocznych na nagraniach, aby uzyskać ich zgodę na wykorzystanie materiałów wideo. Jeżeli nie będzie możliwości skontaktowania się z tymi osobami, badacze usuną fragmenty filmów, w których one występują.

Wyniki

Demografia uczestników i kryteria włączenia
Do badań zrekrutowano grupę 23 uczestników: 9 osób po udarach (6 mężczyzn, 3 kobiety) oraz 14 osób z cSCI (12 mężczyzn, 2 kobiety). Podsumowanie informacji demograficznych i klinicznych dla zrekrutowanej grupy przedstawiono w Tabeli 1.

Wiek (lata)

Dyskusja

Przedstawiliśmy protokół nagrywania filmów z ADL w domu za pomocą kamer noszonych na ciele u osób z upośledzeniami kończyn górnych, takimi jak cSCI i udar. Protokół jest elastyczny i może być ukierunkowany na cel, aby uchwycić wydajność funkcji ręki w określonych ADL lub zdalnie śledzić postępy rehabilitacji u osób mieszkających w domu. Paradygmat widzenia egocentrycznego ma ogromny potencjał w zakresie zdalnego monitorowania funkcji ręki u osób żyjących w społeczności oraz optymalizacji rehabilitacji po wypisaniu osób z...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kamera egocentryczna	GoPro Inc., CA, USA	GoPro Hero 4 i 5	Kamera, która nagrywa z perspektywy pierwszej osoby.
Pojemnik na baterie i baterie	GoPro Inc., CA, USA	MAX Podwójna ładowarka + bateria	Dodatkowe baterie do aparatu i ładowarka
Ładowarka do aparatu	GoPro Inc., CA, USA	Supercharger	Ta ładowarka jest podłączana bezpośrednio do aparatu bez demontażu ramy kamery.
Ramka kamery	GoPro Inc., CA, USA	Rama	Zawias ramy kamery może służyć do regulacji kąta widzenia kamery.
Opaska na głowę do kamery	GoPro Inc., CA, USA	Pasek na głowę + karta SD QuickClip
	SanDisk, CA, USA	32GB microSD
Tablet	ASUSTeK Computer Inc., Tajwan	ZenPad 8.0 Z380M	Tablet jest instalowany z aplikacją GoPro w celu połączenia z kamerą.