Wideoanaliza ruchu za pomocą smartfonów (ViMAS): badanie pilotażowe
14 marca 2017
Ten manuskrypt opisuje metodę testowania równoczesnej ważności pomiarów kinematycznych zarejestrowanych przez aplikację na smartfony w porównaniu z systemem przechwytywania ruchu 3D w płaszczyźnie strzałkowej. Protokół ten umożliwi lekarzom skonfigurowanie smartfonów do rejestrowania ruchu człowieka.
Ogólnym celem tego badania jest przetestowanie jednoczesnej trafności pomiarów kinematycznych zarejestrowanych przez aplikację na smartfony i porównanie ich z pomiarami zarejestrowanymi przez system przechwytywania ruchu 3D, w celu opracowania ważnego protokołu klinicznego. Ten protokół kliniczny został opracowany tak, aby smartfon mógł być używany do rejestrowania ruchów człowieka i dostarczania prawidłowych pomiarów kinematycznych przy użyciu prostej i przyjaznej dla użytkownika konfiguracji. Główną zaletą tej techniki jest to, że smartfon można skonfigurować w klinice lub domu pacjenta do wideoanalizy ruchu człowieka.
Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ klinicyści mogą postępować zgodnie z protokołem klinicznym krok po kroku, aby uzyskać prawidłowe pomiary kinematyki kończyn dolnych. Demonstracją procedury będą doktoranci, którzy są współautorami badania. Zacznij od zmierzenia i oznaczenia sześciometrowego chodnika za pomocą taśmy mierniczej i taśmy klejącej.
Następnie umieść cztery kamery do przechwytywania ruchu 3D w czterech rogach sześciometrowego chodnika, aby nagrać chodzenie w tym obszarze. Ustaw każdą z kamer na ukośnych końcach chodnika tak, aby była zwrócona do siebie. Następnie odprowadź uczestnika do obszaru testowego i zbierz wagę i długość nóg, od krętarza większego do kostki przyśrodkowej obu nóg za pomocą taśmy mierniczej.
Następnie zmierz wzrost, prosząc uczestnika o stanie boso obok taśmy mierniczej, przymocowanej do ściany. Umieść linijkę na czubku głowy uczestnika, aby odczytać pomiar z taśmy mierniczej przyklejonej do ściany. Zamontuj smartfon na statywie, używając klipsa adaptera do trzymania smartfona.
Umieść statyw prostopadle do środka chodnika, w odległości 2.0 metrów od pierwszej ustawionej próby. Należy pamiętać, że statyw powinien być umieszczony w odległości 4.0 metrów w przypadku drugiego zestawu prób. Następnie oblicz wysokość od podłogi do obiektywu kamery w metrach dla każdej konfiguracji, korzystając z długości nogi pacjenta.
Bliska pozycja kamery, dwa metry, służy tylko do rejestrowania i analizowania ruchu kończyn dolnych, podczas gdy dalsza odległość obejmuje zarówno kończynę dolną, jak i tułów. Następnie umieść klastry trzech inteligentnych markerów z paskami na rzepy na obustronnym przednim górnym grzebieniu biodrowym lub ASIS, górnej jednej trzeciej bocznej części ud, górnej jednej trzeciej bocznej części łydek i grzbiecie obu stóp. Umieść pojedynczy inteligentny znacznik na linii środkowej między prawym i lewym tylnym górnym kolcem biodrowym.
Umieść naklejki wskazujące kostne punkty orientacyjne obustronnych przyśrodkowych i bocznych kłykci kości udowej, kostki przyśrodkowej i bocznej oraz błoniastej przestrzeni między pierwszym a drugim palcem w celu kalibracji systemu przechwytywania ruchu 3D. Na koniec skalibruj sprzęt za pomocą oprzyrządowanej różdżki z inteligentnymi znacznikami, aby zarejestrować lokalizację 3D naklejek. Na początek niech jeden śledczy obsługuje smartfon, a drugi komputer sterujący systemem przechwytywania ruchu 3D.
Poproś uczestnika o wykonanie próby próbnej. Następnie otwórz aplikację na smartfona i naciśnij czerwony przycisk nagrywania w dolnej środkowej części ekranu, aby rozpocząć nagrywanie. Użyj ponumerowanego papieru, aby wskazać numer badania na nagraniu ze smartfona.
Następnie poinstruuj uczestnika, aby szedł w swoim normalnym tempie i skupił się na znaczniku umieszczonym na przeciwległej ścianie, aby pomóc w chodzeniu w linii prostej. Daj uczestnikowi odliczanie na początek, mówiąc trzy, dwa, jeden, idź. Następnie poproś uczestnika, aby przeszedł przez pierwsze dwie kamery przechwytywania ruchu 3D umieszczone na początku chodnika po obu stronach i podszedł do kolejnych dwóch kamer umieszczonych na drugim końcu chodnika po obu stronach.
Po tym, jak badany zakończy przechodzenie przez sześciometrowy dystans, odliczaj do końca próby, mówiąc trzy, dwa, jeden, stop. Następnie ponownie naciśnij czerwony przycisk nagrywania, aby zatrzymać nagrywanie próby chodzenia. Sprawdź wszystkie znaczniki pozycji po każdej próbie.
Następnie przesuń statyw ze smartfonem na drugą odległość oddaloną o cztery metry, aby uchwycić górną i dolną część ciała. Poproś uczestnika, aby stanął na środku chodnika, a następnie zaczął chodzić w taki sam sposób, jak wcześniej. Na koniec zapisz i zweryfikuj nagrania przechwytywania ruchu 3D i nagrania ze smartfona.
Następnie usuń inteligentne znaczniki. Zacznij od ręcznego zarejestrowania kąta kolana, który jest wyświetlany na ekranie podczas faz uderzenia piętą i palcami w cyklu chodu. Następnie zakończ analizę nagrań ze smartfona pod kątem uderzeń piętą i oderwania palców.
Użyj rysika, aby zwiększyć dokładność umieszczania punktów orientacyjnych podczas pomiarów kąta kolana. Następnie wyświetl, który właśnie został nagrany, wybierając kwadrat wideo w lewym dolnym rogu ekranu. Użyj paska przewijania u podstawy ekranu, aby wybrać klatkę, w której obiekt znajduje się najbliżej uderzenia piętą lub palcami na środku ekranu.
Następnie, aby zmniejszyć kąt, dotknij ikony białego ołówka konturowego w prawym górnym rogu ekranu. Wybierz opcję kąta z menu rozwijanego. Wybierz preferowany kolor i znacznik kąta.
Przesuń lub dotknij rysika w dowolnym miejscu na ekranie, aby zmniejszyć kąt. Na koniec umieść środek kąta na stawie kolanowym, z wektorami sięgającymi w górę wzdłuż kości udowej i w dół w kierunku kostki bocznej. W razie potrzeby powiększ obraz, umieszczając dwa palce blisko siebie na środku ekranu i powoli odsuwając je od siebie.
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono istotną różnicę między pomiarami kąta przez system przechwytywania ruchu 3D a aplikację na smartfony. Na wykresach odległości 4,0 metra i odległości 2,0 metra były wyświetlane dane, które są bardziej rozproszone wokół linii średniej różnicy w środku. Oznacza to, że pozycja kamery nie przyczyniła się do błędów w pomiarach.
Próbując opracować protokół kliniczny do analizy ruchu wideo za pomocą smartfona, należy pamiętać, że kamera musi być umieszczona w ustalonej odległości, a wysokość kamery zależy od długości nóg danej osoby.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie weryfikuje współbieżną trafność pomiarów kinematycznych rejestrowanych przez aplikację w smartfonie w odniesieniu do systemu trójwymiarowego analizy ruchu (3D motion capture). Opracowany protokół umożliwia klinicystom skuteczne rejestrowanie ruchów człowieka za pomocą smartfonów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomechanika
- Opracowywanie protokołów klinicznych
- Analiza ruchu człowieka
Wstęp
- Smartfony mogą być wykorzystywane do analizy wideo ruchu człowieka.
- Systemy przechwytywania ruchu 3D stanowią złoty standard w pomiarach kinematycznych.
- Walidacja aplikacji smartfonowych może usprawnić praktykę kliniczną.
- Demonstracje wizualne są niezbędne dla skutecznego wdrożenia.
Cel badania
- Ustanowienie poprawnego protokołu klinicznego do pomiaru kinematyki kończyn dolnych.
- Porównanie danych z aplikacji smartfonowej z danymi z tradycyjnego systemu analizy ruchu.
- Ułatwienie szybkiej konfiguracji dla klinicystów w różnych środowiskach.
Zastosowane metody
- Pomiar sześciometrowego odcinka ścieżki z wykorzystaniem taśmy mierniczej.
- Rejestracja wideo ruchu człowieka za pomocą smartfona.
- Protokół krok po kroku przeznaczony dla klinicystów.
- Prezentacja procedury przeprowadzona przez współautorów będących studentami studiów doktoranckich.
Główne wyniki
- Opracowanie niezawodnej metody rejestracji danych kinematycznych.
- Walidacja aplikacji smartfonowej w odniesieniu do trójwymiarowego systemu analizy ruchu (3D motion capture).
- Zwiększenie dostępności analizy ruchu dla klinicystów.
- Pozytywne opinie dotyczące użyteczności konfiguracji opartej na smartfonie.
Wnioski
- Aplikacja na smartfona może dostarczać wiarygodnych pomiarów kinematycznych.
- Metoda ta zwiększa wykonalność analizy ruchu w warunkach klinicznych.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć ten protokół o szersze zastosowania.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Analiza ruchu oparta na smartfonach oferuje niskokosztową i dostępną metodę wstępnej oceny chodu w badaniach wczesnego odkrywania oraz badaniach translacyjnych. Poprzez walidację danych kinematycznych ze smartfona w odniesieniu do trójwymiarowego systemu analizy ruchu, badanie to wspiera redukcję ryzyka mechanistycznego w modelach przedklinicznych, w których zastosowanie systemów zasobożernych jest niepraktyczne. Takie podejście umożliwia skalowalne i powtarzalne fenotypowanie w celu walidacji celów terapeutycznych w obszarach neuromięśniowych lub związanych z mobilnością.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie fenotypów lokomocyjnych w celu weryfikacji hipotez dotyczących celów terapeutycznych w modelach chorób wpływających na chód lub mobilność.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzowany system o niskim progu wejścia do wstępnego screeningu funkcjonalnego przed zastosowaniem złożonych systemów analizy ruchu.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe dane dotyczące kąta zgięcia kolana w płaszczyźnie strzałkowej w momencie kontaktu pięty z podłożem oraz odbicia palców, co pozwala na przygotowanie testu do badań przesiewowych opartych na analizie ruchu.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację testu poprzez zprotokołowaną konfigurację smartfona, pozycjonowanie statywu oraz rozmieszczenie markerów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ciągłość translacyjną poprzez zestawienie przedklinicznych wyników motorycznych z klinicznie mierzalnymi punktami końcowymi kinematyki.
- Wartość operacyjna: Umożliwia odtwarzalność międzyośrodkową w badaniach wieloośrodkowych dzięki wykorzystaniu powszechnie dostępnej technologii smartfonów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w przepływy pracy od wczesnego etapu odkrywania do identyfikacji związków wiodących, w których funkcja lokomocyjna służy jako odczyt fenotypowy zaangażowania celu lub modulacji szlaku.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących celów neuromięśniowych poprzez kwantyfikację odchyleń chodu jako biomarkerów funkcjonalnych.
- Screening: Umożliwia przygotowanie testów dzięki zwalidowanym i powtarzalnym protokołom rejestracji wideo oraz pomiaru kątów.
- Analityka: Dostarcza odczyty kinematyczne (kąt w kolanie podczas uderzenia piętą o podłoże/odrywania palców), które pozwalają na ilościowe porównanie różnych warunków eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Zgodność przedklinicznych ocen chodu z kliniczną analizą ruchu, co wspiera ciągłość biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Pozycjonuje analizę opartą na smartfonach jako wielokrotnego użytku, zdecentralizowaną funkcjonalność dla rozproszonych zespołów badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności w fenotypowaniu lokomocyjnym.
- Wartość operacyjna: Zwiększa powtarzalność i skalowalność dzięki standaryzacji konfiguracji oraz minimalnym wymaganiom sprzętowym.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje typu go/no-go, umożliwiając wczesną i kosztowo efektywną ocenę funkcjonalnej modulacji celu.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację celów z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o mierzalne efekty w punktach końcowych ruchu.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga przeszkolenia w zakresie rozmieszczania markerów, konfiguracji statywu do smartfona oraz identyfikacji zdarzeń chodu (uderzenie pięty/odejście palców).
- Wymagany jest statyw, klips adapterowy oraz smartfon z kompatybilną aplikacją do analizy kinematycznej.
- Wymagana jest standaryzacja długości ścieżki, odległości kamery (2m lub 4m) oraz kalibracja wysokości w oparciu o długość kończyny dolnej.
- Podczas projektowania badań należy uwzględnić koncentrację na kończynach dolnych przy małej odległości oraz objęcie tułowia przy dużej odległości.
- Ograniczone do pomiaru kąta w kolanie w płaszczyźnie strzałkowej; analiza kończyn górnych i tułowia wymaga dalszej walidacji.
