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 Radę Etyki Badań Naukowych Uniwersyteckiej Sieci Zdrowia. Podpisaną świadomą zgodę uzyskano od każdego uczestnika przed włączeniem do badania. Uzyskano również podpisaną świadomą zgodę od opiekunów lub domowników występujących na nagraniach wideo.

1. Weryfikacja zastosowania protokołu do danej osoby

UWAGA: Ten protokół jest przeznaczony do stosowania u osób z upośledzoną, ale nie całkowicie nieobecną funkcją ręki (konkretne kryteria mogą być dostosowane do populacji i/lub interesującego pytania).

1. Zapytaj uczestników, czy ich dotknięte ręce wpływają na ich zdolność do wykonywania ADLs.
   UWAGA: Zaleca się, aby poprosić uczestników o podanie kilku przykładów zadań, które mogą, a których nie mogą wykonać samodzielnie za pomocą dotkniętych chorobą rąk.
2. Sprawdź, czy łączny wynik w Montrealskiej Ocenie Poznawczej (MoCA) przekracza 21, aby uniknąć potencjalnych trudności ze zrozumieniem i przestrzeganiem procedur protokołu.

2. Określenie codziennej rutyny uczestników

1. Poproś uczestników, aby przypomnieli sobie swoją codzienną rutynę z ostatnich dwóch tygodni. Udokumentuj, które codzienne zadania są wykonywane, jak długo i w przybliżeniu o której godzinie.
2. We współpracy z uczestnikami wybierz 3 przedziały czasowe po 1,5 godziny każdy, podczas których chcesz nagrywać filmy. Wybierz przedziały czasowe, które są rozłożone na różne dni tygodnia i mają miejsce, gdy ADL z udziałem rąk są zwykle przeprowadzane w sekwencji.
   UWAGA: Wybrane ADL muszą być reprezentatywne dla typowych działań każdego uczestnika i być przez nich postrzegane jako znaczące. Planowanie okresów rejestracji w różnych dniach ma na celu zwiększenie różnorodności rejestrowanych ADL oraz promowanie gromadzenia przydatnych i istotnych danych.
   UWAGA: Przedziały czasowe nagrywania są zaplanowane pod kątem wydajności nagrywania, ale uczestnicy powinni zrozumieć, że mają pełną kontrolę nad tym, kiedy rozpocząć i zakończyć nagrywanie.

3. Porozumienie z uczestnikami w sprawie harmonogramów nagrywania i docelowej treści wideo

1. Uzyskaj zgodę każdego uczestnika na harmonogramy nagrywania, po omówieniu wszelkich wątpliwości, które mogą mieć.
2. Postaw sobie za cel 3 godziny filmów w ciągu dwóch tygodni. Poinformuj uczestników, że niewystarczająca liczba nagrań może prowadzić do wydłużenia okresów nagrywania.

4. Podkreślenie znaczenia wykonywania ADL w sposób naturalny

1. Poinstruuj uczestników, aby skupili się na uchwyceniu realistycznych rutyn, zamiast określać konkretne czynności do nagrania. Intencją instrukcji jest zniechęcenie uczestników do sztucznego rejestrowania konkretnych czynności w większych ilościach niż jest to dla nich typowe.

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

1. Upewnij się, że uczestnicy rozumieją, że wszystkie nagrania powinny odbywać się w ich domach, a nie w miejscach publicznych, aby uniknąć problemów z prywatnością.
2. Podaj kilka przykładów, które mogą budzić obawy dotyczące prywatności, takich jak kąpiel, ubieranie/rozbieranie się i sprawdzanie poufnych informacji. Przypomnij uczestnikom, aby zwracali uwagę na lustra, na których mogą być widoczne ich twarze na nagraniach.
3. Zasugeruj, aby uczestnicy w jak największym stopniu unikali obecności innych osób, takich jak członkowie rodziny lub opiekunowie, w filmach.
   UWAGA: W kontekście badań naukowych, w przypadkach, gdy obecność innych osób jest nieunikniona, należy uzyskać świadomą zgodę tych osób.

6. Instrukcja obsługi kamery i tabletu

UWAGA: Jeśli uczestnicy zaznaczą podczas pierwszego kontaktu, że potrzebują pomocy opiekuna w wielu codziennych potrzebach, zachęca się opiekuna do wzięcia udziału w wizycie badawczej i przeszkolenia w zakresie korzystania ze sprzętu, aby mógł później pomóc uczestnikowi.

1. Zademonstruj uczestnikom, jak korzystać z egocentrycznej kamery (Tabela materiałów).
   1. Zademonstruj, jak włączać i wyłączać aparat.
   2. Zademonstruj, jak sterować nagraniami (rozpoczynanie, wstrzymywanie, zatrzymywanie) za pomocą aparatu.
2. Zademonstruj, jak korzystać z tabletu (Spis materiałów) z zainstalowaną aplikacją aparatu do sterowania nagraniami, jeśli dotyczy.
   UWAGA: Demonstracja obejmuje sterowanie nagraniami z aplikacji aparatu, a także odtwarzanie i edycję (np. przycinanie lub usuwanie) nagranych filmów. Początkowo rozważano możliwość użycia pilota do kamery (Supplemental Files), ale w praktyce nie była używana, ponieważ uczestnicy czuli się komfortowo używając kamery lub tabletu do rozpoczynania i zatrzymywania nagrań.
   1. Zademonstruj, jak włączać i wyłączać tablet.
   2. Zademonstruj, jak podłączyć tablet do aparatu za pomocą aplikacji aparatu.
   3. Zademonstruj, jak sterować nagraniami z aplikacji aparatu.
   4. Zademonstruj, jak przeglądać nagrane filmy z aplikacji aparatu.
   5. Zademonstruj, jak przycinać lub usuwać filmy z aplikacji aparatu.
3. Zademonstruj, jak zakładać i zdejmować kamerę za pomocą elastycznej opaski regulowanej do głowy uczestnika.
   UWAGA: Zobacz Rysunek 1.
   
   Rysunek 1. Konfiguracja kamery do noszenia. (A) Ustawienie kamery egocentrycznej. (B) Kąt patrzenia z kamery. Kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
   1. Przyłóż kamerę do czoła uczestnika. Dostosuj pałąk, aby wygodnie i stabilnie nosić aparat.
   2. Zadbaj o optymalny kąt kamery w stosunku do czoła.
   3. Poproś uczestników, aby nagrali krótki fragment filmu, poruszając rękami przed sobą i manipulując jakimś przedmiotem (np. tabletem).
   4. Przejrzyj nagrany film i upewnij się, że obie ręce były wyraźnie widoczne w środkowej części sceny podczas wykonywania zadań manipulacyjnych.
   5. Ćwicz korzystanie z aparatu i tabletu z uczestnikami i ich opiekunami, aż wykażą się biegłością.

7. Dawanie sprzętu

1. Daj zestaw z całym sprzętem uczestnikom, aby mogli nagrywać swoje ADL w domu. Oprócz aparatu i tabletu w zestawie znajdują się dodatkowe baterie do aparatu, ładowarki do aparatu i tabletu, do ładowania, pałąk na głowę do aparatu oraz wydrukowany zestaw wskazówek dotyczących korzystania z aparatu (patrz materiały dodatkowe).

8. Eksperymentalne rozwiązywanie problemów i kontynuacja

1. Podaj dane kontaktowe badaczy, aby pomóc w rozwiązywaniu przeszkód podczas rzeczywistych nagrań w domu. Po tygodniu badacze dzwonią do uczestników, aby udokumentować postęp nagrywania i rozwiązać ewentualne problemy techniczne.

9. Pobieranie sprzętu i filmów

1. Odzyskaj cały sprzęt i filmy od uczestników osobiście lub za pośrednictwem opłaconych z góry paczek pocztowych.
2. Upewnij się, że uczestnicy zgadzają się na udostępnienie wszystkich zwróconych filmów. Uczestnicy są zachęcani do przejrzenia wszystkich zebranych filmów przed zwróceniem ich do zespołu badawczego oraz do usunięcia wszelkich fragmentów, których nie chcą udostępniać.
3. W przypadku badań naukowych przejrzyj zwrócone filmy i sprawdź, czy ktoś pojawia się w filmie bez jego zgody. Jeśli tak, wyślij formularze zgody lub zadzwoń do osób, które pojawiają się w filmach, aby uzyskać ich zgodę na wykorzystanie filmów. Jeśli osoby te nie są osiągalne, fragmenty filmów, w których się pojawiają, są usuwane przez badaczy.

Wyniki

Dane demograficzne uczestników i kryteria włączenia
Do badań włączono próbę 23 uczestników: 9 osób, które przeżyły udar mózgu (6 mężczyzn, 3 kobiety) i 14 osób z cSCI (12 mężczyzn, 2 kobiety). Podsumowanie danych demograficznych i klinicznych dla badanej próby 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.