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Método de análise orientada a clínica tridimensional da marcha para avaliar o distúrbio da marcha

doi: 10.3791/57063 Published: March 4, 2018

Summary

Neste estudo, um método de análise clínico-amigável tridimensional da marcha, que foi concebido para ser realizado na clínica de reabilitação, é apresentado. O método consiste em um método de medição simplificada e intuitivas figuras para facilitar o entendimento dos clínicos dos resultados.

Abstract

Análise tridimensional da marcha (3DGA) é mostrado para ser uma ferramenta útil e clínica para a avaliação da anormalidade da marcha, devido a distúrbios de movimento. No entanto, o uso de 3DGA em clínicas reais permanece incomum. Possíveis razões poderiam incluir o processo de medição demorada e dificuldades em compreender os resultados de medição, que são muitas vezes apresentados usando um grande número de gráficos. Aqui nós apresentamos um método clínico-amigável 3DGA desenvolvido para facilitar o uso clínico de 3DGA. Este método consiste em preparação simplificada e processos de medição podem ser executada em um curto período de tempo em ambientes clínicos e apresentação de resultados intuitivos para facilitar o entendimento dos clínicos dos resultados. O procedimento de medição rápido e simplificado é conseguido através do uso de marcadores mínimos e medição dos pacientes em uma esteira. Para facilitar o clínico compreensão, os resultados são apresentados em figuras com base na perspectiva dos clínicos. Uma foto de visão geral de Lissajous (LOP), que mostra a trajetória de todos os marcadores do ponto de vista holística, é usada para facilitar a compreensão intuitiva de padrões de marcha. Índices de padrão de marcha anormal, que são baseados em perspectivas de clínicos na avaliação da marcha e padronizado, usando os dados de indivíduos sadios, são usados para avaliar a extensão dos padrões típicos da marcha anormal em pacientes com AVC. Um gráfico mostrando a análise da estratégia de afastamento de dedo do pé, que retrata como pacientes dependem de estratégias compensatórias e normais para alcançar o apuramento do dedo do pé, também é apresentado. Esses métodos poderiam facilitar a aplicação de 3DGA em ambientes clínicos e incentivar ainda mais o desenvolvimento de estratégias de medição do clínico ponto de vista.

Introduction

Estudos anteriores mostraram a utilidade da análise tridimensional da marcha (3DGA) para a avaliação da marcha após acidente vascular cerebral1,2,3. Estudos com sistemas de análise de movimento de alta qualidade têm fornecido substancial insight sobre padrões de marcha humana, não só de aqueles de indivíduos saudáveis, mas também aqueles devido a vários distúrbios do movimento tais como derrame ou paralisia cerebral4,5 . Patologia de compreensão, avaliar pacientes antes do tratamento para o planejamento, ou monitoramento de efeitos de intervenção só poderia ser promovido com 3DGA6. Além disso, vários estudos recentes têm demonstrado o potencial de 3DGA para fornecer um guia para treinamento de reabilitação7,8.

No entanto, o uso de 3DGA na prática clínica diária ainda é limitado. Um dos principais problemas é o seu processo demorado. Conjuntos de marcador, comumente usados na análise de marcha9,10,11 consistem em mais de 30 marcadores para a medição de todo o corpo. Estes conjuntos de marcador permitem estimativas muito precisas de movimento dos membros e tronco. Isto contribui para a precisão da análise, que geralmente é feita a partir dos dados de um número limitado de etapas que pode ser capturado por câmeras colocadas em torno de uma passarela. No entanto, isto requer uma preparação demorada e processos de medição, que impede o uso de 3DGA na prática clínica diária.

Outra desvantagem ao uso de 3DGA em um ambiente clínico é que pode ser difícil interpretar os resultados fornecidos12. Os resultados de 3DGA comumente são mostrados em gráficos retratando parâmetros tais como ângulos articulares e deslocamento de partes do corpo. No entanto, avaliação da marcha em clínicas de reabilitação não só envolve avaliar o movimento de partes do corpo, mas os padrões de movimento também holística. Este último só pode ser entendido, avaliando as relações entre esses parâmetros, e a dificuldade envolvida em fazer então faz os clínicos menos dispostos a usar 3DGA.

Para resolver esses problemas e facilitar o uso de 3DGA na clínica de reabilitação, propomos um método de medição simplificada e intuitiva para 3DGA. O método de medição consiste no seguinte: (1) um marcador simplificado definido com 12 marcadores; (2) medição de pacientes na esteira; (3) uma figura intuitiva holística de padrões de marcha; (4) índices de padrão de marcha anormal validados através da observação clínica; e (5) visualização das características de estratégia da marcha. O protocolo mostrado neste estudo segue as diretrizes da Comissão de ética médica da instituição.

Protocol

1. preparação

Nota: O método de medição proposto neste documento utiliza um marcador simplificado, conjunto de 12 marcadores, conforme descrito abaixo. O processo de medição inteira, incluindo a preparação, pode ser realizado em 20 min. A viabilidade do presente protocolo em configurações muito clínicos foi verificada em estudos anteriores13,14,15,16,17.

  1. Execute o processo de calibração de acordo com o protocolo do fabricante.
  2. Instruir os pacientes a usar fácil ajuste, legwear skintight e coloque os marcadores coloridos sobre o paciente, conforme descrito abaixo.
    1. Coloque marcadores (30 mm de diâmetro) nos seguintes pontos no corpo do paciente: tanto Jacky, quadris (em pontos de um terço do caminho do grande trocanter do fêmur ao longo de uma linha que une cada espinha ilíaca ântero-superior com cada grande trocanter), joelhos ( a linha mediana do diâmetro ântero-posterior de cada epicôndilo lateral do fêmur), tornozelos (maléolos lateral), dedos (quinto metatarsos cabeças) e cristas ilíacas (na posição de cada crista ilíaca em uma linha vertical que passa através dos quadris).

2. medição

  1. Definir a velocidade da esteira e medir os padrões de marcha.
    1. Instrua o paciente a realizar o teste de caminhada de 10m.
    2. Defina uma velocidade de marcha subjetivamente confortável. Definir a velocidade da esteira, começando em 70% dos mais de marcha do chão e gradualmente aumentando a velocidade, para encontrar a marcha confortável velocidade na esteira.
    3. Medir a andar. Para uma única sessão demora 20 s. Se as diferentes condições (ex. velocidade da marcha, órtese, etc.) precisam ser comparados, realizar várias sessões. Nesse caso, tenho pacientes descansar por 1 minuto entre as sessões.
      Nota: Embora 3DGA sistemas com câmeras infravermelhas são comumente usados em pesquisa de 3DGA, em um vídeo simplificado sistema de análise de movimento (frequência de amostragem: 60 Hz; por exemplo, Kinematracer) é usado no presente protocolo para encurtar o processo de calibração.

3. análise de dados

  1. Fatores de tempo-distância
    Nota: Tempo-distância parâmetros são parâmetros comuns e básicos utilizados em estudos de análise de marcha. Eventos de pé inicial contato e pé-off são determinados automaticamente pelo sistema com base em trajetórias de marcador do dedo do pé e tornozelo.
    1. Para evitar erros na deteção de passo, tenho dois fisioterapeutas experientes verificar a exactidão do sincronismo e ajuste-o se houver erros em tempo de passo.
    2. Destes timings detectado passo, calcule o seguinte:
    3. Calcular a cadência (passos/min) = 60 × 2 / SC (s)
    4. Calcular o comprimento do passo (m) = × GS (m/s) SC (s) + (o deslocamento do marcador do tornozelo do pé contato para contato do mesmo lado do pé)
    5. Calcular o comprimento do passo (m) = × GS (m/s) (o tempo de contato do pé de um lado para contato do outro lado do pé) + (a diferença média na posição do tornozelo no contato do pé de um lado e do outro lado)
    6. Calcular a largura do passo (m) = a média distância lateral entre os dois marcadores de tornozelo durante a fase de duplo apoio
    7. Calcular a duração da dupla orientação: A soma da fase de duplo apoio que aparece duas vezes durante um ciclo da marcha; o tempo entre o contato do pé de um lado e o pé posterior do outro lado.
    8. Calcular a duração da única posição: O tempo médio entre o pé e pé subsequente entre em contato com o lado oposto.
      Nota: SC (ciclo de passo): O tempo médio de contato do calcanhar de um lado para o contato do calcanhar do mesmo lado. * * GS (velocidade da marcha)
  2. Visão geral de Lissajous imagens (LOP)
    Nota: Torto é concebidos como uma figura consistindo de trajetórias conjunta de marcador em grandes articulações, com o objectivo de facilitar holística da marcha padrões14 dos pacientes da reabilitação de compreensão (ver Figura 1).
    1. Gera torto de trajetórias nas coordenadas de dez marcadores e o centro de gravidade virtual (COG) na horizontal (x-y), sagital (y-z) e aviões coronal (z-x) (x: esquerda/direita, y: anterior/posterior, z: superior/inferior).
      1. Desenhe o LOP com o software ou com a construção de um gráfico de dispersão que cobre a gama de movimento de todos os marcadores em um software de planilha eletrônica. Calcular o COG virtual pela didática de cada segmento do corpo para ser como segue: tronco, 0,66; coxa, 0.1; coxa inferior, 0,05; e pé, 0,02. Posteriormente, calcule COG como o centro da composição dos segmentos.
    2. Em cada marcador, extrair dados brutos para os três componentes (x, y e z) para cada ciclo da marcha, normalizar estas pelo ciclo da marcha e os valores médios. Conjunto de valores médios dos x - e y-componentes do carreto virtual para 0 e usá-los como referências para o x - e y-componentes dos marcadores.
  3. Cálculo do índice da marcha anormal da marcha de hemiparéticos
    Nota: Vários padrões de marcha comum são conhecidos por serem características de marcha de hemiparéticos após acidente vascular cerebral. Estes incluem caminhadas quadril, circundução e deslocamento lateral do tronco18. Índices para os padrões anormais da marcha foram desenvolvidos para quantificar a extensão destes marcha padrões13,16,17. Até à data, dez anormal marcha índices (quadril caminhadas, circundução, contato do antepé, retropulsão do quadril, rotação externa quadril excessiva, deslocamento lateral excessivo do tronco sobre o lado afetado, extensora axiais, marcha de joelhos flexionados, joelho insuficiente flexão durante a fase de balanço e chicote medial) têm sido relatados. A fórmula para cada índice é mostrada na tabela 1.
    1. Calcule o valor bruto dos índices de acordo com as fórmulas. Por exemplo, calcular o valor bruto do índice para caminhadas quadril como a diferença entre o valor máximo da coordenada z do marcador de articulação do quadril durante a fase de balanço e a coordenada z simultânea do marcador a articulação do quadril contralateral, corrigida para a média diferença de esquerda-direita de z coordenada durante a fase de duplo apoio.
    2. Calcular a pontuação de desvio (t-score) com base em dados de medição de indivíduos saudáveis. Calcular a pontuação padronizada da seguinte forma: T = 50 + 10 × (X−µ) / δ (t: escore de desvio; X: dados individuais; µ: significa o valor bruto dos indivíduos saudáveis; Δ: desvio-padrão).
  4. Análise da estratégia de afastamento do dedo do pé
    Nota: Estratégias para o afastamento do dedo do pé durante balanço variam muito entre indivíduos saudáveis e pacientes com paresia de membro inferior. Em indivíduos saudáveis, o afastamento do dedo do pé é conseguido encurtamento, com mínimos movimentos da bacia ou do tronco do membro. Por outro lado, pacientes com paresia não podem encurtar seus membros na mesma medida. Para estes pacientes, as estratégias compensatórias resultantes como inclinação pélvica ou circundução também afetam toe autorização19. Esta análise, a altura do apuramento do dedo do pé no meio do swing é dividida em duas partes: o vertical ganho alcançado pelo encurtamento do membro e que ganhou por movimentos compensatórios, que afectam directamente o afastamento do dedo do pé. Os componentes que compõem o afastamento do dedo do pé (componente vertical do membro encurtamento, obliquidade pélvica, abdução do quadril e compartimentalização) são calculados conforme descrito abaixo.
    1. Calcule o afastamento total do dedo do pé da coordenada z da cabeça do quinta metatarsiana como um índice de afastamento do dedo do pé.
    2. Calcule o componente vertical de encurtamento como a coordenada z da mudança na distância entre o quadril e a quinta metatarsiana cabeça do membro.
    3. Calcule o componente vertical do movimento compensatório somando três subcomponentes, como segue.
      1. Calcule o componente vertical de obliquidade pélvica como a diferença de altura (coordenada z) dos marcadores de quadril.
      2. Calcule o componente vertical da abdução do quadril como a distância entre o quadril e a quinta cabeça metatarsal e os ângulos de abdução. Isso reflete a distância ascendente que o pé teria movido como resultado de abdução do quadril não se tivesse havido nenhuma mudança no comprimento de membro inferior.
      3. Calcule o componente vertical de compartimentação da mudança na coordenada z do quadril contralateral, entre meados de postura e balanço médio20.

Representative Results

O método apresentado aqui é usado para avaliar pacientes com distúrbios da marcha. Os resultados da análise são apresentados na Figura 2, Figura 3e Figura 4. Estes números mostram os resultados da 3DGA simplificado de um paciente com Hemiparesia e um controle saudável. A Figura 2 mostra um LOP representante do padrão de marcha completa de um paciente curso. Neste paciente, observaram-se padrões típicos da marcha como circundução, quadril elevação e movimento lateral do porta-malas. A Figura 3 é marcha anormal de um radar gráfico mostrando derrame dos pacientes de índice (Pontuação de desvio). Pontuações padronizadas de elevação circundução e quadril eram altas, indicando que esses movimentos em pacientes com AVC eram muito maiores do que o padrão de indivíduos saudáveis. Finalmente, a Figura 4 é um gráfico representando estratégias de afastamento do dedo do pé de um paciente de acidente vascular cerebral e um indivíduo sadio idade-combinadas. No assunto saudável, afastamento do dedo do pé é normalmente conseguido membro encurtamento, Considerando que o paciente de acidente vascular cerebral, é conseguida principalmente pelos movimentos compensatórios tais como obliquidade pélvica e compartimentalização.

Figure 1
Figura 1: imagens de visão geral de Lissajous (LOP) consistindo de três figuras: (A) (C) plano horizontal, (B) plano coronal e sagital. Cada trajetória mostra os movimentos do ciclo da marcha em média de marcadores conjuntas e a hipótese de centro de gravidade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: imagens de visão geral de Lissajous (LOP) de um paciente de derrame representativa: (A) (C) plano horizontal, (B) plano coronal e sagital. Aumentou movimento de tronco (seta branca), quadril caminhadas (seta preta) e circundução (seta cinza) observaram-se de uma visão holística usando LOP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: gráfico de Radar dos índices da marcha anormal. A pontuação média de indivíduos saudáveis é definida para 50. Uma alta pontuação padrão representa alta anormalidade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: gráfico mostrando o dedo do pé estratégias de autorização em um paciente de AVC vs um indivíduo sadio. Afastamento do dedo do pé é conseguido unicamente membro encurtamento no assunto saudável, Considerando que movimentos compensatórios (caminhadas de quadril, abdução do quadril e compartimentação) também afetam a liberação de dedo do pé no paciente de acidente vascular cerebral. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Padrões de marcha Fórmula
Caminhadas no quadril a diferença entre o valor máximo da coordenada Z do marcador de articulação do quadril durante a fase de balanço e a coordenada de Z do quadril contralateral marcador ao mesmo tempo, corrigida para a diferença média de esquerda-direita da coordenada Z durante o duplo fase de apoio
Circundução a diferença de distância entre a lateral mais X coordenar do marcador articulação do tornozelo durante 25-75% do balanço do fase e mais medial X coordenam durante 25-75% da fase de postura
Contato do antepé a diferença de distância entre a coordenada de Z do marcador de articulação do tornozelo e a coordenada de Z do marcador no contato inicial, menos a diferença de distância entre as coordenadas de Z do marcador de articulação do tornozelo e marcador de dedo do pé durante o pé dedo do pé
Retropulsão do quadril a distância média entre a coordenada Y da articulação do tornozelo e a coordenada Y da articulação do quadril na fase de postura única
Excessiva rotação externa quadril a distância média entre a coordenada X da articulação do tornozelo e a coordenada X do Toe na fase de balanço
Deslocamento lateral excessivo de
o tronco para o lado não afetado
a distância média entre
(1) a lateral mais coordenada de X do ponto médio entre as acromions bilaterais na parte da fase de postura duplo, em que a perna afetada está localizada atrás da perna afetada e a fase de balanço de afetadas perna e
(2) a coordenada X de média do ponto médio entre as articulações de tornozelo bilateral na parte da fase de postura duplo, em que a perna afetada está localizada atrás da perna afetada
Extensora axiais a diferença entre a máxima Y coordenar a velocidade do joelho na fase de postura única da perna afetada e a velocidade da marcha de esteira
Marcha de joelhos flexionados o ângulo de extensão máxima do joelho na fase de postura única da perna afetada
Flexão do joelho insuficiente durante a fase de balanço o ângulo de flexão máxima do joelho na fase de balanço, em comparação com o ângulo de flexão do joelho para os indivíduos saudáveis
Chicote medial a distância entre a lateral mais X coordenada da articulação durante 75-100% da fase de postura e maior medial do tornozelo X coordenada da articulação durante 25-75% na fase de postura da perna afetada do tornozelo
Coordenadas X, Y e Z indicam lateromedial, anteroposteriol e vertical, respectivamente

Tabela 1: Fórmulas para padrões anormais da marcha

Discussion

No relatório atual, foi proposto um método simplificado de 3DGA. Este sistema foi projetado para ser usado na prática diária e envolve um método de medição simplificada e clínico-amigável apresentação dos resultados.

Vários relatórios anteriores usaram 3DGA e um conhecimento básico da marcha humana tem sido estabelecida anteriormente21. 3DGA tem o potencial de contribuir para as clínicas de reabilitação, por exemplo, melhorando o entendimento da patologia dos distúrbios da marcha, para uso no planejamento do tratamento, ou no acompanhamento de efeitos de intervenção. No entanto, o uso de 3DGA em clínicas de reabilitação continua a ser bastante baixo. Há várias possíveis barreiras para o uso de 3DGA em situações clínicas. O tempo necessário é provavelmente um grande obstáculo, como 3DGA com base em pesquisa geralmente requer preparação considerável tempo (i. e., para a calibração do sistema e montagem dos marcadores). Outra questão é que a interpretação de resultados pode ser desafiador. Distúrbios da marcha geralmente compreendem várias anormalidades do movimento, e entender os vários gráficos resultantes da análise, é necessário experiência. Em termos de viabilidade clínica, análise de sistemas com métodos simplificados e apresentação de dados intuitiva seria útil.

O tempo de preparação considerável necessário para executar a análise existente métodos está relacionado à busca de alta precisão. No entanto, a velocidade de movimento dos pacientes com distúrbios da marcha é limitada, e na prática diária de reabilitação não podem exigir este nível de precisão. No método atual, o protocolo é simplificado e pode ser executado em um período de tempo que deve ser suficientemente curto para viabilidade na prática de reabilitação diariamente enquanto manter os requisitos para avaliar pacientes com movimento distúrbios13 , 15 , 16 , 17.

No método atual, o método de apresentação de resultados satisfaz requisitos clínicos. Em clínicas de reabilitação, terapeutas geralmente começam por avaliar padrões de marcha holística. O LOP é projetado para ajudar os clínicos a avaliar padrões de marcha holística intuitivamente usando uma representação representante (i. e., uma figura) no qual marcador trajetórias são colocadas de acordo com as reais relações posicionais. O desenvolvimento de índices de marcha anormal neste documento também foi baseado na experiência clínica. Os índices foram desenvolvidos para quantificar a extensão de padrões anormais da marcha clinicamente comum, observada em pacientes com AVC, e as validades simultâneas de todos os índices foram confirmadas através de observação clínica por fisioterapeutas13, 15,16.

Além de ser um método de avaliação objetiva que reflete a experiência clínica, o método proposto idealmente contribuirá para o desenvolvimento de novas estratégias de reabilitação. A análise das estratégias de afastamento dos pés vai além da avaliação clínica convencional e tem o potencial de contribuir para o planejamento de tratamentos de reabilitação direcionados. O método proposto e análise, os médicos são apresentados com dois alvos para reabilitação; a medida de afastamento do dedo do pé e a medida de compensação para alcançá-lo. Em si, aumentar o afastamento do dedo do pé é importante para andar seguro; no entanto, reduzir a compensação também pode melhorar a curta eficiência22. No método atual, os médicos teriam acesso a ambos os conjuntos de informações como índices de andar seguro e eficiência ambulante, que pode contribuir para o desenvolvimento alvo estratégias de reabilitação para melhorar a segurança e a eficiência de andar em pacientes de reabilitação.

Tendo em conta as qualidades acima referidas, este método de medição e análise poderia facilitar a utilização de 3DGA na clínica de reabilitação, fornecendo um método objectivo com o qual deseja avaliar padrões de marcha em pacientes de reabilitação. Além disso, ele poderia permitir uma estimação mais acurada do efeito da intervenção do que de ordinárias balanças utilizadas na clínica, que possa contribuir para a melhoria da qualidade de intervenção no campo de reabilitação.

Este estudo não foi sem limitações. Considerando o reduzido número de marcadores e taxa de amostragem relativamente baixo, a precisão da medição neste sistema pode ser limitada em comparação com os sistemas existentes. Isto pode ser uma consideração crítica ao analisar movimentos rápidos como os de profissionais de esportes. Em particular, ao avaliar os ângulos articulares ou movimentos comuns, o conjunto de marcador simplificado usado neste método pode ser insuficiente para estimar com precisão as posições comuns. Nesse sentido, a análise que enfatiza o movimento comum, tais como a análise para o planejamento de cirurgia de paralisia cerebral, também pode ser limitada com este sistema simplificado. Embora o sistema foi validado pela avaliação clínica, as propriedades psicométricas deste método ainda não foram definidas em comparação com o método padrão-ouro. As limitações técnicas devem ser confirmadas em estudos futuros.

No entanto, em pacientes com distúrbios de marcha, velocidade de movimento é limitada e as diferenças de desempenho são evidentes quando comparados com indivíduos saudáveis. Portanto, na prática diária, nós não podem exigir o nível de precisão fornecido pelos métodos existentes. Além disso, nesse método, resultados são apresentados como um padrão de marcha em média por um período de medição 20 s, que é mais do que os métodos mais convencionais de medição da marcha overground. Esse recurso pode melhorar a precisão e a confiabilidade da medição.

Para concluir, neste estudo, que um método simplificado e intuitivo 3DGA foi introduzido. Para facilitar o uso de 3DGA na melhoria da qualidade de clínicas de reabilitação, deve ser desenvolvido um método de medição clinicamente viável. O método clínico-amigável introduzido aqui pode incentivar o desenvolvimento de modelos de medição clinicamente viável e a implementação de 3DGA em clínicas de reabilitação diariamente.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este estudo foi financiado pela Universidade de saúde Fujita [Grant número 2015100341].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
KinemaTracer KisseiComtec Co., Ltd. KinemaTracer-6Cam A simple video-based 3D motion analysis system that consists of camera, workstation and softwares.

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Mukaino, M., Ohtsuka, K., Tanikawa, H., Matsuda, F., Yamada, J., Itoh, N., Saitoh, E. Clinical-oriented Three-dimensional Gait Analysis Method for Evaluating Gait Disorder. J. Vis. Exp. (133), e57063, doi:10.3791/57063 (2018).More

Mukaino, M., Ohtsuka, K., Tanikawa, H., Matsuda, F., Yamada, J., Itoh, N., Saitoh, E. Clinical-oriented Three-dimensional Gait Analysis Method for Evaluating Gait Disorder. J. Vis. Exp. (133), e57063, doi:10.3791/57063 (2018).

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