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Research Article
Corey Landis1, Margaret E. O'Neil2,3, Andrew Finnegan2,3, Patricia A. Shewokis1,3,4
1School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems,Drexel University, 2Department of Physical Therapy and Rehabilitation Sciences,Drexel University, 3College of Nursing and Health Professions,Drexel University, 4Department of Nutrition Sciences,Drexel University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este protocolo descreve um método para calcular a variabilidade da freqüência cardíaca (HRV) das formas de onda do electrocardiograma (ECG). As formas de onda das gravações contínuas da frequência cardíaca (HR) durante as sessões ativas do jogo video (AVG) foram usadas para medir o desempenho aeróbio dos jovens com paralisia cerebral (PC).
O objetivo deste estudo foi gerar um método para calcular a variabilidade da frequência cardíaca (VFC) a partir das formas de onda do eletrocardiograma (ECG). As formas de onda foram gravadas por um monitor de FC que os participantes (jovens com paralisia cerebral (PC)) usavam durante sessões ativas de videogame (AVG). As sessões do AVG foram projetadas para promover a atividade física e a aptidão (desempenho aeróbio) nos participantes. O objetivo foi avaliar a viabilidade da AVGs como estratégia de intervenção fisioterapêutica (PT). A FC máxima (mHR) foi determinada para cada participante e a zona de frequência cardíaca alvo (THRZ) foi calculada para cada uma das três fases de exercício na sessão média de 20 min: (aquecimento a 40-60% de mHR, condicionamento a 60-80% de MHR e esfriou em 40-60% mHR). Cada participante jogou 3 20 min jogos durante a sessão do AVG. Todos os jogos foram jogados ao sentar-se em um banco porque muitos jovens com PC não podem ficar por longos períodos de tempo. Cada condição do jogo diferiu com os participantes que usam somente ícones da mão, ícones da mão e dos pés junto ou ícones dos pés somente para coletar objetos. O objetivo do jogo (chamado KOLLECTO) é coletar objetos para ganhar pontos e evitar perigos para não perder pontos. Os perigos foram utilizados nas fases de aquecimento e esfriando apenas para promover um movimento mais lento e controlado para manter a FC na zona de frequência cardíaca alvo (THRZ). Não houve perigos na fase de condicionamento para promover níveis mais elevados e atividade física mais intensa. Os métodos analíticos foram utilizados para gerar VFC (medidas de domínio do tempo e domínio de frequência) de dados de ECG para examinar a carga de trabalho aeróbia. As aplicações recentes de HRV indicam que as medidas a curto prazo (5 ataques do minuto) são apropriadas e que o biofeedback de HRV pode ajudar a melhorar sintomas e a qualidade de vida em uma variedade de condições de saúde. Embora a FC seja uma medida clínica bem aceita para examinar o desempenho e a intensidade aeróbias nas intervenções de PT, a VQV pode fornecer informações sobre as funções, recuperação e adaptação do sistema autonômico durante as sessões do AVG.
A paralisia cerebral (PC) é a incapacidade física mais comum da infância1. O CP é causado por um insulto neurológico ao cérebro em desenvolvimento e está associado a deficiências motoras, como fraqueza muscular, espasticidade, descondicionamento e diminuição do controle motor e equilíbrio2,3. A PC é uma condição não progressiva, mas com a idade, as crianças tornam-se menos fisicamente ativas e mais sedentárias em comparação com seus pares com o desenvolvimento típico (TD) principalmente por causa do aumento das demandas de crescimento em seu comprometimento neuromuscular e sistemas musculoesqueléticos4.
Os jovens com PC geralmente recebem serviços de fisioterapia (PT) para melhorar a mobilidade funcional e promover a atividade física e a aptidão (por exemplo, resistência aeróbia e muscular)2. Muitas vezes, há acesso limitado aos serviços da pt e aos recursos comunitários para alcançar e sustentar esses objetivos de pt5,6. Os jogos de vídeo ativos (AVGs) podem ser uma estratégia viável em intervenções de pt baseadas em atividades nas configurações clínicas, domiciliares ou comunitárias7,8. AVGs comerciais têm flexibilidade limitada para adaptar o jogo e atender às necessidades específicas e metas PT para jovens com CP9. No entanto, os AVGs personalizados fornecem parâmetros de jogos flexíveis para desafiar os jovens com PC enquanto promovem atividade física e aptidão10.
Nossa equipe desenvolveu um AVG personalizado (chamado KOLLECTO) para examinar as respostas do exercício da juventude (por exemplo, atividade física e aptidão aeróbia). O jogo usa um sensor de movimento para acompanhar o movimento juvenil durante o jogo. O objetivo do jogo é "coletar" tantos objetos quanto possível para uma pontuação elevada e para evitar os perigos para evitar perder pontos. Os objetos podem ser coletados com ícones de mão e/ou pés, conforme determinado pelo terapeuta nos parâmetros flexíveis do jogo.
Projetar intervenções de PT baseadas em atividades que a intensidade da atividade física da dose para promover a aptidão aeróbia é fundamental para os jovens com PC11. AVGs personalizados podem ser uma estratégia eficaz para a intensidade da dose e envolver a juventude na atividade física para promover a aptidão10. Os monitores de frequência cardíaca (FC) são freqüentemente usados na prática clínica de PT para determinar o desempenho aeróbio e a intensidade da atividade. Portanto, os monitores de RH ajudarão a determinar a viabilidade dos AVGs na dosagem da intensidade da atividade física para promover a aptidão aeróbica9. Os dados de ECG gerados a partir de um monitor de RH podem ser usados para calcular a variabilidade da frequência cardíaca (VFC). Métodos analíticos foram utilizados para gerar VFC a partir de dados de ECG para examinar a carga de trabalho aeróbia. As aplicações recentes de HRV indicam que as medidas a curto prazo (5 Bouts do minuto) são apropriadas e que o biofeedback de HRV pode ajudar a melhorar sintomas e a qualidade de vida em uma variedade de condições de saúde32,33,34 . A aplicação de medidas de VFC de curto prazo é um meio adequado para avaliar a função cardiovascular durante as sessões do AVG. Dado que a VFC é derivada do intervalo R-R de um ECG, utilizamos medidas selecionadas de domínio do tempo e domínio de frequência. A medida do tempo-domínio de HRV quantifica a quantidade de maior nos intervalos do interbeat que representa o tempo entre batimentos cardíacos sucessivos. Utilizou-se o AVNN (intervalo médio de NN), RMSSD (quadrado médio da raiz de diferenças sucessivas), SDNN (desvio padrão do intervalo NN), NN50 (número de intervalos NN > 50 ms) e PNN50 (percentual de intervalos NN). As medidas do domínio da freqüência estimam o distribuição o poder absoluto ou relativo em possivelmente quatro bandas de freqüência, nós endereçados especificamente em duas faixas, poder da baixa freqüência (LF) e potência de alta freqüência (HF) junto com a relação de LF/HF. Embora a FC seja uma medida clínica bem aceita, a HRV pode ser útil porque fornece informações sobre a função do sistema autonômico, recuperação, adaptação e fornece uma estimativa da carga de trabalho aeróbia durante uma sessão do AVG28.
O objetivo deste estudo foi analisar a viabilidade do uso de estratégias de AVG para promover a atividade física e a aptidão. Um segundo objetivo foi apresentar o protocolo de coleta de dados da AVG e a metodologia para o cálculo da VFC a partir dos dados do ECG obtidos através de um monitor de RH. Estas medidas e este protocolo podem revelar-se relevantes para os médicos para monitorar e doses de sessões de intervenção PT.
Aprovação da Diretoria de revisão institucional. Todos os jovens forneceram assentimento escrito e os pais forneceram o consentimento antes da participação.
sessões de coleta de dados 1. AVG
(1) a
mas isso pode ser aumentado no programa se os dados são uniformes para reduzir a detecção de falsos positivos de picos de T que são maiores do que seus picos de R correspondentes. Exemplos desses falsos positivos podem ser vistos na Figura 1.
RMSSD = (2)2. adquira dados de ECG do paciente
3. análise de dados e cálculo de medidas de variabilidade da frequência cardíaca
Este método fornece dados para o uso em analisar o efeito que um método recentemente desenvolvido tem na variabilidade da frequência cardíaca do assunto (HRV). Ele faz isso localizando a porção R da forma de onda QRS dos dados de ECG de um sujeito, como mostrado na Figura 6, e calculando vários valores de VFC a partir dele. Se o monitor de RH estiver fazendo contato adequado com o sujeito, os dados serão uniformes, reduzindo substancialmente a necessidade de correções (como visto na Figura 4).
Os limiares devem ser ajustados para segurar dados desarrumado e irregulares como representado na Figura 1 e na Figura 2. Se os dados forem suficientemente variáveis devido a alterações momentâneas no contato de pele do monitor de RH, a análise inicial pode incorretamente rotular picos como mostrado na Figura 3. Este erro pode ser corrigido corrigindo manualmente os valores ou inserindo pontos de dados extras, conforme explicado na seção 3 do protocolo. Alterar os níveis de limiar e o tempo mínimo entre os picos também pode ajudar a limpar os valores de detecção e produzir um gráfico ajustado como a Figura 6 de Figure5.
Uma vez que os dados foram obtidos e analisados quanto a discrepâncias, eles podem ser usados para calcular os valores de VFC para análise estatística. A análise dos dados de ECG pode ser utilizada para quantificar as observações feitas durante as sessões para fins de avaliação.

Figura 1 . Gráfico representativo de RH contínuo (eixo y) em μV) ao longo do tempo (eixo x em s) para o assunto um jogo 3 durante a sessão de aquecimento representando dados "bagunçados". Dados desarrumado: nesta seção os picos de R são menores do que a porção T da forma de onda. Isso pode causar problemas com a detecção de pico.

Figura 2 . Um exemplo de alguns testes padrões irregulares da forma de onda do electrocardiograma (ECG). Padrões de forma de onda irregular: as mudanças no contato com o assunto devido ao movimento podem causar variações da tensão que reduzem a uniformidade da forma de onda. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3 . Um exemplo de um eletrocardiograma (ECG) saída com um pico incorretamente rotulado HR incorretamente rotulado Peak. Perto do topo da figura, um pico de tensão faz com que parte da forma de onda seja detectada como combinando o padrão R. Ele também pode fazer com que os padrões R próximos sejam ignorados devido à proximidade, como a destacada em (9924, 2074).

Figura 4 . Gráfico representativo do HR contínuo (eixo y) no μV) através do tempo (x-Axis em s) forma de onda limpa do electrocardiograma (ECG). Forma de onda limpa: um exemplo de uma seção de dados uniformes de ECG com um nível relativamente uniforme da forma de onda e de tensão.

Figura 5 . Gráfico representativo da FC contínua (eixo y) em μV) ao longo do tempo (eixo x em s) de um eletrocardiograma cru (ECG) antes da limpeza. Dados antes da limpeza: um segmento de 30 seg de dados de ECG do assunto 01 jogo 3 durante a fase de condicionamento é mostrado. Alguns picos foram perdidos e alguns são rotulados incorretamente devido à variabilidade de alta tensão. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6 . Gráfico representativo do HR contínuo (eixo y) no μV) através do tempo (x-Axis em s) de um eletrocardiograma cru (ECG) após a clearning. Limpeza do borne dos dados: os mesmos 30 segundos de dados de ECG do assunto 01 jogo 3 depois que foi etiquetado corretamente como descrito na seção 3 do protocolo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Fase | Tempo | Horário THR | Características do jogo |
| Descansando | 5 minutos | Repouso da linha de base | NA |
| Aquecimento | 5 minutos | 40-60% mHR | 4 objetos + 4 perigos; velocidade mais lenta |
| Condicionado | 10 minutos | 60-80% mHR | 8 objetos + 0 perigos; velocidade mais rápida |
| Cool-para baixo | 5 minutos | 40-60% mHR | 4 objetos + 4 perigos; velocidade mais lenta |
| Recuperação | 5 minutos | Repouso da linha de base | NA |
| Chave: thr = frequência cardíaca alvo; Na = não aplicável |
Tabela 1. Fases de jogo do jogo de vídeo ativo (AVG). CHAVE: frequência cardíaca alvo (THR); NA (não aplicável).
| Assunto | Avg | Jogo | Início do warmup | Condicionamento começar | Início de recarga | Início de recuperação |
| (MM/DD/AAAA) | (MM/DD/AAAA) | (MM/DD/AAAA) | (MM/DD/AAAA) | |||
| (HH: MM: SS) | (HH: MM: SS) | (HH: MM: SS) | (HH: MM: SS) | |||
| 1 | 4 | 1 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 |
| 1 | 4 | 1 | 16:33:53 | 16:39:03 | 16:49:04 | 16:54:09 |
| 1 | 4 | 2 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 |
| 1 | 4 | 2 | 17:27:47 | 17:32:57 | 17:43:01 | 17:48:03 |
| 1 | 4 | 3 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 | 11/25/2015 |
| 1 | 4 | 3 | 18:25:22 | 18:30:33 | 18:40:35 | 18:45:38 |
| 2 | 4 | 1 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 |
| 2 | 4 | 1 | 11:59:19 | 12:04:29 | 12:14:36 | 12:19:50 |
| 2 | 4 | 2 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 |
| 2 | 4 | 2 | 12:40:25 | 12:45:37 | 12:55:44 | 13:00:53 |
| 2 | 4 | 3 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 | 4/10/2016 |
| 2 | 4 | 3 | 13:19:57 | 13:25:02 | 13:35:04 | 13:40:11 |
| 3 | 4 | 1 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 |
| 3 | 4 | 1 | 17:08:10 | 17:13:20 | 17:23:21 | 17:28:28 |
| 3 | 4 | 2 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 |
| 3 | 4 | 2 | 17:59:46 | 18:04:48 | 18:14:54 | 18:19:55 |
| 3 | 4 | 3 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 | 11/18/2015 |
| 3 | 4 | 3 | 18:42:03 | 18:47:03 | 18:57:04 | 19:02:02 |
Tabela 2. Timing File KEY: AVG = jogo de vídeo ativo
| ID_AVG_Game | AVNN (s) | Média de RH (BPM) | RMSSD (MS) | SDNN (MS) | NN50 | pNN50 (%) | LF/HF (ECG) | LF/HF (RR) | LFP (RR) | HFP (RR) |
| 03_AVG4_G1_Rest | 719,875 | 83,347 | 29,827 | 55,604 | 35 | 8,393 | 1,328 | 0,602 | 0,123 | 0,204 |
| 03_AVG4_G1_WU | 656,373 | 91,411 | 26,52 | 50,372 | 28 | 5,932 | 1,288 | 0,675 | 0,125 | 0,185 |
| 03_AVG4_G1_Con 1 -5 | 557,772 | 107,57 | 20,651 | 43,932 | 4 | 0,743 | 1,187 | 0,76 | 0,119 | 0,157 |
| 03_AVG4_G1_Con 6 10 | 532,483 | 112,679 | 27,771 | 33,481 | 9 | 1,599 | 1,244 | 0,809 | 0,118 | 0,146 |
| 03_AVG4_G1_Con 2-7 | 538,546 | 111,41 | 20,389 | 34,351 | 6 | 1, 77 | 1,198 | 0,819 | 0,118 | 0,144 |
| 03_AVG4_G1_Con 3-8 | 530,761 | 113, 45 | 27,756 | 34,26 | 8 | 1,413 | 1,192 | 0,826 | 0,118 | 0,143 |
| 03_AVG4_G1_Cool | 597, 19 | 100,499 | 31,806 | 41,96 | 16 | 3,181 | 1,281 | 0,712 | 0,120 | 0,169 |
| 03_AVG4_G1_Recovery | 665,511 | 90,156 | 42,136 | 70,698 | 57 | 12,639 | 1,301 | 0,636 | 0,122 | 0,191 |
| AVNN = intervalo médio de NN; AVG HR = frequência cardíaca média; RMSSD = raiz média quadrada de diferenças sucessivas; SDNN-desvio padrão do intervalo NN; NN50 = número de intervalos NN > 50 ms; pNN50 =% dos intervalos NN > 50 ms; LF = potência de baixa frequência; HF = potência de alta frequência; LF/HF = baixa frequência-relação de alta freqüência. BPM = batimentos por minuto; MS = milissegundos; ECG = eletrocardiograma-que contém o complexo QRS; RR = onde R é um ponto associado a um pico do complexo QRS da onda ECG e RR é o intervalo entre os pontos R sucessivos; |
Tabela 3. Variabilidade da frequência cardíaca (HRV) dados para o assunto 03 jogo 01
Tabela 4. Estatísticas descritivas de medidas de variabilidade da frequência cardíaca para várias fases de exercício para cada jogo por favor clique aqui para baixar esta tabela.
| Gênero | Nível GMFCS | Diagnóstico clínico | Desordem de movimento | Lado dominante | Altura (cm) | Peso (quilograma) | IMC (kg/m2) | Percentil do IMC |
| Menino | 2 | diplegia | Distonia | Certo | 161,20 | 47,60 | 18,32 | 17, 0 |
| Menino | 3 | diplegia | Espasticidade | Deixou | 141,17 | 49,20 | 24,70 | 95, 0 |
| Menino | 2 | hemiplegia esquerda | Espasticidade | Certo | 165,80 | 50,50 | 18,40 | 13, 0 |
| Menino | 3 | diplegia | Espasticidade | Certo | 154,30 | 57, 0 | 23,90 | 83, 0 |
| Menina | 2 | hemiplegia esquerda | Espasticidade | Certo | 161,20 | 60,30 | 22,86 | 71, 0 |
| Menina | 2 | hemiplegia esquerda | Espasticidade | Certo | 146,40 | 40,80 | 19, 0 | 30, 0 |
| Menina | 2 | hemiplegia direita | Espasticidade | Deixou | 154,60 | 64, 0 | 26,80 | 85, 0 |
| Menina | 3 | hemiplegia esquerda | Espasticidade | Certo | 166,10 | 61,20 | 22,20 | 42, 0 |
| Menino | 2 | hemiplegia esquerda | Espasticidade | Certo | 168,10 | 49,70 | 17,60 | 51, 0 |
| Menino | 3 | diplegia | Espasticidade | Certo | 135, 0 | 29,80 | 16, 0 | 43, 0 |
| Chave: GMFCS= sistema de classificação de função motora bruta; IMC= índice de massa corporal |
Tabela 5. Demografia do paciente
Neste momento, os autores (CL e PAS) não têm nada a revelar. Dr. o ' Neil é um co-fundador da enAbleGames, LLC e Kollecto é um dos jogos oferecidos por esta empresa baseada na Web. enAbleGames está em fase de desenvolvimento de jogos e não é uma empresa pública neste momento (www.enAbleGames.com).
Este protocolo descreve um método para calcular a variabilidade da freqüência cardíaca (HRV) das formas de onda do electrocardiograma (ECG). As formas de onda das gravações contínuas da frequência cardíaca (HR) durante as sessões ativas do jogo video (AVG) foram usadas para medir o desempenho aeróbio dos jovens com paralisia cerebral (PC).
Os autores agradecem aos participantes e suas famílias pelo tempo e esforço despendidos para a participação no estudo. Também, os autores reconhecem o Dr. Yichuan Liu e o Dr. Hasan Ayaz para sua assistência com o cálculo cronometrando da monitoração do RH e Dr. Paul Diefenbach para o desenvolvimento do software ativo video do jogo de KOLLECTO. O financiamento para este trabalho foi fornecido pela Fundação Coulter Grants #00006143 (O'Neil; Diefenbach, PIs) e #00008819 (O'Neil; Diefenbach, PIs).
| Módulo Bluetooth BioHarness (sensor eletrônico) | Zephyr | 9800.0189 | detecta frequência cardíaca, frequência de resistência, postura e temperatura da pele. |
| BioHarness Chest Strap | Zephyr | 9600.0189, 9600.0190 | Tamanhos Pequeno XS-M, Grande M-XL |
| BioHarness Charge Cradle & Cabo USB | Zephyr | 9600.0257 | Usado para transferir dados do módulo para um computador para análise. |
| O BioHarness Echo Gateway | Zephyr | 9600.0254 | permite a visualização em tempo real da frequência cardíaca do sujeito. |
| MATLAB R2016a | Mathworks | 1.7.0_.60 | Usado para toda a programação. |