Захват репрезентативного использования рук в домашних условиях с использованием эгоцентрического видео у людей с нарушениями верхних конечностей

Функция руки является определяющим фактором независимости и качества жизни в клинических популяциях с нарушениями верхних конечностей^1,2. Захват функции руки людей с нарушениями рук в домашних условиях имеет жизненно важное значение для оценки прогресса их способности выполнять повседневную деятельность (ADL) во время и после реабилитации. Большинство клинических оценок функции руки проводятся в клинической или лабораторной среде, а не дома^3,4. Существующие клинические оценки функции рук, которые стремятся охватить влияние на ADL в домашних условиях, являются опросниками и полагаются на субъективные самооценки^{оценок 5,6,7.} Объективная оценка для оценки конечного воздействия реабилитации на функцию рук в домашних условиях по-прежнему недоступна.

В последние годы было разработано и внедрено множество носимых технологий для захвата функции верхних конечностей в реальных условиях. Носимые датчики, такие как акселерометры и инерциальные единицы измерения (I IMUs), обычно используются для измерения движений верхних конечностей в повседневной жизни. Однако эти устройства обычно не различают, относятся ли обнаруженные эпохи к функциональным движениям верхних конечностей^8,9,определяемым как целенаправленные движения, предназначенные для выполнения желаемой задачи. Например, некоторые носимые датчики чувствительны к наличию колебаний верхней конечности во время ходьбы, что не является функциональным движением верхней конечности. Кроме того, хотя акселерометры, носимые на запястье, фиксируют движения верхних конечностей, они не могут захватывать детали функции рук в реальных условиях. Сенсорные перчатки позволяют захватывать более подробную информацию о манипуляциях с руками^10,но они могут быть громоздкими для людей, чья функция и ощущения рук уже нарушены. Носимые подходы также были предложены для захвата движений пальцев с помощью магнитометрии или носимых пальцами акселерометров^{11, 12,13,}но функциональная интерпретация этих движений остается сложной^14. Таким образом, хотя ранее предложенные носимые устройства малы и удобны в использовании, их недостаточно для описания деталей и функционального контекста ручного использования.

Носимые камеры были предложены для заполнения этих пробелов и захвата деталей функции рук во время ADL в домашних условиях для нейрореабилитационных приложений^{15,16,17,18,19.} Автоматизированный анализ эгоцентрических видео с использованием компьютерного зрения имеет значительный потенциал для количественной оценки функции рук в контексте, предоставляя информацию как о самих руках, так и о задачах, выполняемых в реальных ADL^20. С другой стороны, продолжительность непрерывных записей обычно ограничивается примерно от 1 до 1,5 ч из соображений батареи, хранения и комфорта. Здесь, в рамках этих ограничений, мы представляем эгоцентрический протокол сбора видео, предназначенный для получения данных, которые являются как репрезентативными для повседневной жизни человека, так и информативными для оценки функции руки.

Исследование было одобрено Советом по этике исследований Сети университетского здравоохранения. Подписанное информированное согласие было получено от каждого участника до регистрации в исследовании. Подписанное информированное согласие было также получено от любых лиц, осуществляющих уход, или членов семьи, появляющихся на видеозаписях.

1. Проверка применимости протокола к физическому лицу

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол предназначен для применения к лицам с нарушенной, но не полностью отсутствующей функцией руки (конкретные критерии могут быть адаптированы к населению и/или вопросу, представляющим интерес).

1. Спросите участников, влияют ли их пораженные руки на их способность выполнять ADL.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется попросить участников привести некоторые примеры заданий, которые они могут и не могут выполнять самостоятельно своими пораженными руками.
2. Убедитесь, что общий балл монреальской когнитивной оценки (MoCA) выше 21, чтобы избежать потенциальных трудностей с пониманием и следованием протокольным процедурам.

2. Определение распорядка дня участников

1. Попросите участников вспомнить свои распорядки дня за последние две недели. Документируйте, какие ежедневные задачи выполняются, как долго и примерно в какое время.
2. В сотрудничестве с участниками выберите 3 таймслота по 1,5 ч каждый, в течение которых нужно записывать видео. Выберите временные интервалы, которые распределены по разным дням недели и имеют место, когда ADL с участием рук обычно выполняются последовательно.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранные ADL должны быть репрезентативными для типичных видов деятельности каждого участника и восприниматься ими как значимые. Планирование периодов записи в разные дни предназначено для увеличения разнообразия регистрируемых ADL и содействия сбору полезных и значимых данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Временные интервалы записи запланированы для эффективности записи, но участники должны понимать, что они имеют полный контроль над тем, когда начинать и останавливать записи.

3. Соглашение с участниками о графиках записи и целевом видеоконтенте

1. Получить согласие каждого участника на графики записи, после обсуждения любых проблем, которые у них могут возникнуть.
2. Поставить перед собой цель – 3 ч видео в течение двух недель. Сообщите участникам, что недостаточное количество видео может привести к продлению периода записи.

4. Акцент на важности выполнения ADL естественным путем

1. Попросите участников сосредоточиться на захвате реалистичных процедур, а не указывать конкретные действия для записи. Цель инструкции состоит в том, чтобы отговорить участников от искусственной записи конкретных действий в больших количествах, чем это характерно для них.

5. Уведомление о потенциальных проблемах конфиденциальности во время записей дома

1. Убедитесь, что участники понимают, что все записи должны происходить внутри их домов, а не в общественных местах, чтобы избежать проблем с конфиденциальностью.
2. Приведите несколько примеров, которые могут вызвать проблемы с конфиденциальностью, такие как купание, одевание / раздевание и проверка конфиденциальной информации. Напомните участникам, чтобы они знали о зеркалах, которые могут показывать их лица на записях.
3. Предложите участникам избегать присутствия других людей, таких как члены семьи или опекуны, насколько это возможно в видео.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В контексте научных исследований, в тех случаях, когда присутствие других людей неизбежно, информированное согласие должно быть получено от этих лиц.

6. Инструкция по эксплуатации камеры и планшета

ПРИМЕЧАНИЕ: Если участники указывают во время первоначального контакта, что им требуется помощь лица, осуществляющего уход, для многих из их повседневных потребностей, лицу, осуществляющему уход, рекомендуется также посетить учебную поездку и пройти обучение по использованию оборудования, чтобы они могли позже помочь участнику.

1. Покажите участникам, как использовать эгоцентрическую камеру(Таблица материалов).
   1. Покажите, как включать и выключать фотокамеру.
   2. Покажите, как управлять записью (запуск, пауза, остановка) с помощью камеры.
2. Демонстрация использования планшета(Таблица материалов)с предустановленным приложением камеры для управления записями, если это применимо.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Демонстрация включает в себя управление записями из приложения камеры, а также воспроизведение и редактирование (например, обрезку или удаление) записанных видео. Пульт дистанционного управления камерой первоначально рассматривался(Дополнительные файлы),но на практике не использовался, потому что участникам было удобно использовать камеру или планшет для запуска и остановки записей.
   1. Покажите, как включать и выключать планшет.
   2. Покажите, как подключить планшет к камере с помощью приложения камеры.
   3. Покажите, как управлять записями из приложения камеры.
   4. Покажите, как просматривать записанные видео из приложения камеры.
   5. Покажите, как обрезать или удалить видео из приложения камеры.
3. Покажите, как надеть и надеть камеру с помощью эластичного оголовья, регулируемого к голове участника.
   ПРИМЕЧАНИЕ: См. рисунок 1.
   
   Рисунок 1. Настройка носимой камеры.  (A) Позиционирование эгоцентрической камеры. (B) Угол обзора с камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
   1. Поместите камеру на лоб участника. Отрегулируйте оголовье, чтобы носить камеру удобно и стабильно.
   2. Обеспечьте оптимальный угол обзора камеры по отношению ко лбу.
   3. Попросите участников записать короткий сегмент видео, двигая руками перед собой и манипулируя объектом (например, планшетом).
   4. Просмотрите записанное видео и убедитесь, что две руки были хорошо видны в центральной области сцены при выполнении манипуляций.
   5. Практикуйте использование камеры и планшета с участниками и их опекунами, пока они не продемонстрируют мастерство.

7. Предоставление оборудования

1. Дайте комплект со всем оборудованием участникам, чтобы записать свои ADL дома. В дополнение к камере и планшету, в комплект входят дополнительные батареи камеры, зарядные устройства для камеры и планшета, зарядные кабели, оголовье для камеры и печатный набор рекомендаций по использованию камеры (см. Дополнительный материал).

8. Экспериментальное устранение неполадок и последующее наблюдение

1. Предоставьте контактную информацию исследователей, чтобы помочь решить препятствия во время фактических записей дома. Через неделю исследователи звонят участникам, чтобы задокументировать прогресс записи и решить любые потенциальные технические проблемы.

9. Поиск оборудования и видео

1. Отбирайте все оборудование и видео от участников лично или через предоплаченные почтовые посылки.
2. Убедитесь, что участники согласны поделиться всеми возвращенными видео. Участникам рекомендуется просмотреть все собранные видео, прежде чем возвращать их исследовательской группе, и удалить любые части, которыми они не хотят делиться.
3. Для исследовательских исследований просмотрите возвращенные видео и проверьте, появляется ли кто-либо в видео без их согласия. Если это так, отправьте формы согласия или позвоните лицам, которые появляются в видео, чтобы получить их согласие на использование видео. Если люди недоступны, части видео, в которых они появляются, удаляются исследователями.

Демография участников и критерии включения
Для этих исследований была набрана выборка из 23 участников: 9 выживших после инсульта (6 мужчин, 3 женщины) и 14 человек с CSCI (12 мужчин, 2 женщины). Сводная демографическая и клиническая информация по набранной выборке представлена в таблице 1.

Таблица 1. Демографическая и клиническая информация о набранных участниках.

Критериями взаимного включения для обеих групп в этих исследованиях были: 1) старше 18 лет, 2) нарушенная, но не отсутствующая функция рук, 3) отсутствие других нервно-мышечно-мышечных заболеваний, влияющих на движения верхних конечностей, 4) отсутствие деформации суставов верхних конечностей и 5) отсутствие боли при движении верхних конечностей. Дополнительные критерии включения для каждой из двух групп были следующими.

Для лиц с cSCI: 1) неврологический уровень травмы между C4 и C8 в соответствии с Международными стандартами неврологической классификации травм спинного мозга (ISNCSCI), 2) Шкала нарушений повреждения позвоночника Американской ассоциации травм позвоночника (AIS) класса A-D. 3) Травматические или нетравматические повреждения, 4) Односторонний моторный балл верхней конечности ISNCSCI (UEMS) между 10 и 23 по крайней мере для одной конечности.

Для лиц с инсультом: 1) не менее 6 месяцев после инсульта, 2) общий балл по тесту Action Research Arm Test (ARAT) более 10, 3) Монреальская когнитивная оценка (MoCA) выше 21, чтобы избежать потенциальных трудностей с пониманием и соблюдением процедур исследования.

Содержание и продолжительность записанного видео
Видео, использованные для анализа, представленные здесь, были от 22 из 23 участников. Оставшийся участник (человек с cSCI) вернул камеру без каких-либо полезных данных после того, как был вне связи с исследовательской группой в течение почти 6 месяцев и не включен в оставшуюся часть анализа. Таким образом, предложенный протокол был успешным для 95,7% участников. В среднем участники зафиксировали более 5 мероприятий. Действия, включенные в видеозаписи, включали приготовление пищи, еду, мытье посуды, физическую активность и вязание(рисунок 2). В среднем на одного участника было получено 3,11 ± 0,98 ч видео после отбрасывания сегментов, в которых присутствовали другие лица, которые не давали согласия, или где данные вообще не использовались (например, камера была оставлена записью на столе). Кроме того, среднесуточная продолжительность видеозаписи на одного участника составила 60 ± 33 минуты. Трое участников отложили записи из-за болезни. Большинство участников записали видео в соответствии с согласованными графиками, но они сообщили, что чувствуют усталость и дискомфорт при ношении камеры более 1 ч из-за ее веса и тепла на лбу. Дополнительные записи были запланированы для достижения целевой продолжительности видео 3 ч, когда это необходимо. Средний период записи, необходимый для получения 3 часов видео, составил 22,3 ± 12,9 d. Периоды записи варьировались от 12 до 69 d, считая от дня, когда участнику дали камеру, до дня, когда они ее вернули. В 4 случаях продолжительность полученных видео была ниже целевого показателя в 3 ч из-за состояния здоровья или ограничений по расписанию. Двум участникам потребовалось более 2 месяцев, чтобы записать 2 ч видео из-за семейных обязанностей. Другой участник записал почти 2 ч видео в течение двух недель, а затем решил вернуть камеру из-за планов поездки. Другой участник случайно удалил все записанное видео, и после того, как был запланирован на дополнительные записи, смог предоставить только 1 час видео из-за семейных обязанностей.

В дополнение к различиям в продолжительности, видимость рук повлияла на качество видео. Некоторые записанные действия не показывали руки четко, такие как физическая подготовка и тянущиеся к предметам в надголовных шкафах. Руки не были показаны в 3 ADL от двух участников с инсультом. Что касается физической подготовки, один участник использовал резинку для упражнений для верхних конечностей и играл в теннис на заднем дворе. Руки на видео не всегда были видны, так как движения рук были большими и быстрыми. Помимо действий, требующих движений верхних конечностей с широким диапазоном, большинство записанных ADL выполнялись в рабочем пространстве между талией и плечом, причем руки были видны на записях.

Рисунок 2. Примеры двух часто записываемых ADL из полученных видео. (A) Приготовление пищи. (B) Мытье посуды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 

Требуется помощь
Шесть из двадцати двух (27%) участников нуждались в помощи исследовательской группы во время периодов записи дома. В среднем каждый звонок помощи занимал 5-10 минут. Никаких посещений на дому не было. Трудности, связанные с заменой батареи, подключением Bluetooth, подключением к Wi-Fi, просмотром и обрезкой видео на планшете и управлением записями с планшета. Для решения этих вопросов были приняты следующие стратегии:

Поскольку замена батарей может быть затруднена для людей с нарушенной функцией руки, исследователь предложил использовать зарядный кабель для подзарядки камеры. По техническим вопросам, связанным с подключением камеры к планшету (например, проблемы с Wi-Fi и Bluetooth), а также для просмотра видео на планшете, исследователи устно проводили участников через процедуры шаг за шагом. По вопросам, связанным с обрезкой видео, была оказана помощь, когда участники возвращали видео исследователям лично, чтобы избежать непреднамеренного удаления других записанных видео. В случае, если участники не могли использовать планшет для запуска и остановки записей, им было предложено использовать камеру в одиночку, нажав кнопку записи, чтобы контролировать запуск и остановку видеозаписей.

Вопросы конфиденциальности
В соответствии с предыдущими выводами21,большинство участников и членов их семей не сообщали о проблемах конфиденциальности при записи ADL дома. Один из членов семьи участника не захотел быть включенным в видео, и участник смог избежать ситуации. В общей сложности одному участнику была оказана помощь в обрезке возвращенных видео. Качественный анализ взглядов участников на сбор эгоцентрических видео дома будет представлен в другом месте, однако соображения конфиденциальности не привели к каким-либо препятствиям для сбора данных в этих исследованиях. В этом протоколе ADL были записаны в домашних условиях, чтобы избежать проблем с конфиденциальностью в общественных местах. Помимо участников, 15 прохожих (включая лиц, осуществляющих уход, и членов семьи) участников были включены в возвращенные видео и согласились на их включение в исследование. Среди 15 прохожих, включенных в видео, 6 из них не были идентифицированы, поскольку их лица не были показаны. Кроме того, около 20 минут видео от 2 членов семей участников с инсультом были отброшены, потому что части видео показывали их лица без их согласия.

Дополнительный материал. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. 

Авторам нечего раскрывать.