文摘

技术来量化姿势稳定通常依赖于只有两个变量的评价,也就是说,两个坐标的警察。但是,通过使用三个变量,即加速度向量的三个组件,可以更精确地描述人体运动。为了这个目的,一个三轴加速度计,使评估3 d运动使用的一种新方法,凸多面体(CP),与传统的方法,基于区域的信心椭圆(ACE)。10例(Pts)小脑性共济失调和十一个健康人对照组(CG)参与了这项研究。结果显示显著增加体积的CP (CPV)分或CG睁着眼睛站在泡沫表面(EO)和闭上眼睛(EC)后,电子商务阶段。分重要的区别和CG被发现在所有情况下。相关系数表明相关性强的CPV和ACE在大多数情况下,病人检查,从而确认量化的姿势不稳定的可能性,介绍了CPV的方法。

1。介绍

站期间身体的姿势稳定段,特别是躯干稳定,可以通过许多负面影响神经或肌肉骨骼系统疾病1]。这些赤字经常显示不稳定患者在立场任务(2]。因此,树干加速度在立场可以量化指标平衡控制受损的神经障碍患者(3]。因此,评估加速度适合临床实践的需要,因为它们反映了位置的变化以及地震的强度和规模。生物医学社区目前开始使用三轴惯性测量单元(IMU)高精度测量人体段运动(加速度和取向),而不是常用的力(姿势描记)平台用于研究中心的压力(CoP)运动全身的4]。躯干运动的评估使用IMU可能产生清晰洞察平衡赤字和提供一个相当便宜,比传统更好的诊断工具,以前记录的措施。艾莫斯被放置在尖尖的T1的过程和/或S1测量躯干和骨盆的运动在安静的站着。尽管乌兹别克斯坦伊斯兰运动可以测量三个角和三个加速度,量化部分的技术动作使用只有一个或两个测量量中引入临床实践(4]。因此,在临床实践中,最大的优势之一IMU与传统姿势描记平台相比,这只允许测量横向平面的二维运动,是不习惯。原因是应用程序IMU的树干加速度测量在立场是相对较新,乌兹别克斯坦伊斯兰运动并没有先前用于研究范围姿势平衡问题和特定类型的疾病患者。因此,姿势描记平台的主要研究工具总是身体运动的患者,例如,罹患小脑疾病(5]。因此,本文的第一个目标是测试应用程序的IMU的地方没有使用过艾莫斯和姿势描记,艾莫斯将取代传统的平台。

自设计的目的是确定树干运动空间和神经系统疾病之间的联系,它是用于诊断小脑疾病表现为震颤或影响力。小脑性共济失调可能出现由于许多疾病和出现症状的协调、平衡、步态和肢体运动困难。小脑病变可以引起协同失调,测距不准,dysdiadochokinesia,构音障碍,立场和步态共济失调,等等;参见[6,7]。赤字上可以观察到同侧的运动人体的病变(6]。临床医生经常使用机动任务,以验证性共济失调的迹象(7]。患者小脑性共济失调的诊断不仅是有趣的因为他们的姿势稳定受损,还因为没有有效的因果药物治疗。因此,有必要寻找方法,可以提高评价的准确性程序在治疗病人的姿势稳定。

论文的第二个目标是设计和测试一个新的2 d数据集的定量评价方法对IMU的3 d躯干运动测量。传统的、更复杂的方法来处理测量数据和评估姿势不稳定,使用至少两个测量变量,方法是基于二维凸包,2 d信心椭圆,或轨迹绘制得到的两个变量的长度与对方(8- - - - - -10]。通常,这些方法都是用来评估二维数据集从姿势描记平台(6]。然而,有这些传统解决方案的局限性量化姿势稳定最初是用来评估二维数据集的姿势描记平台和现在被用来评估数据从艾莫斯。如前所述,这些方法的限制是完全基于的评价只有两个变量,每个人体的两个飞机/轴。这可能会导致失去重要的信息关于身体活动,特别是第三物理量(即。三维运动的加速度)。然而,我们也可以模型的分布测量三维数据(即。,three orthogonal accelerations) of human body segment instead of the analysis of 2D data.

因此,本研究旨在引入新方法用于识别病理平衡控制使用IMU测量加速度以及策划三个加速度与彼此的凸多面体(3 d数据集的评价superior-inferior加速度,中间外侧的加速度,和身体的前后加速度段)。它遵循实践组成的评价只有两个变量的凸包(特别是角度)来衡量IMU [11]。凸包区域已经用于临床实践学习姿势的平衡问题,但凸多面体体积的概念(CPV)以前从未被使用在临床实践中学习姿势平衡问题由三个加速度(8]。这部小说的选择设计来自单个变量的能力定义的形状凸多面体用来描述三个加速度的变化,考虑广泛可用的新的便宜三轴艾莫斯(普通手机或手表)12,13]。凸多面体的适用性变量描述身体段运动预示着一个简单而廉价的IMU的巨大潜力能够直接评估复杂的3 d运动(即。,3 d加速)作为一个整体。此外,superior-inferior的组合,中间外侧的,前后加速度测量在特定的平衡任务可以识别新的和具体差异平衡控制的患者与健康受试者相比。最后重要的原因这三个加速度的测量和评价,而不是只有两个,是廉价的校准三轴IMU可能并不准确,因此测量三个加速度减少的损失3 d运动作为一个整体的信息。包含所有三个加速度让我们减少不合乌兹别克斯坦伊斯兰运动对身体的影响。索赔的一般假设加速度矢量在3 d空间被定义为矢量的三个部分,而这些部分通常被认为是按照地球坐标系的轴或特定身体部位的解剖轴。如果身体上的传感器是错误的也是部分或的误算坐标系统,在各自轴加速度的测量部分将是不准确的。如果我们选择检查3 d运动用只有两段的加速度,信息可能会丢失,这是从来没有的情况观察到的所有三个部分。包含所有三个加速度可以让我们减少的影响不合IMU的身体部分。

记录和处理3 d数据的方法从而提供测量稳定性的可能性较小的医疗中心或在家里通过使用实现IMU,例如,一个手机,而不是传统的姿势描记和宽敞的平台。还有一个可能对病人进行治疗,检查,在家或培训。不合的方法也消除了风险垂直运动数据的传感器和损失,同时也给患者和医务人员提供了一个容易理解3 d数据处理方法。因此,这项工作的重点是确定凸多面体的适用性和IMU数据供临床应用。

2。方法和材料

2.1。参与者

为了测试新方法,有必要比较健康受试者没有任何姿势平衡问题的参与者有姿势平衡问题。十个病人志愿者(Pts)(六个女人和四个男人;52.2(标准差11.7)岁)与退行性小脑性共济失调参与(7]。医院的患者招募教师Motol,布拉格,捷克共和国。在有执照神经学家先前诊断进步小脑疾病。诊断评估包括神经系统检查,实验室血液测试和脑部核磁共振。患者以初始阶段的诊所的两周的康复计划。十一个健康人对照组(CG)(五个和六个男人的女人;26.0(标准差6.4)岁)也被招募进来进行可比性分析。健康受试者是从学生/招募志愿者在布拉格查尔斯大学。在CG、诊断评价包括详细的疾病史,神经系统检查和常规实验室检测。这项研究是在符合《赫尔辛基宣言》。 The study protocol was approved by the local Ethical Committee and the University Hospital Motol, and an informed consent was obtained from each subject. The subjects were chosen for measurement randomly and on different days.

2.2。测量设备和测试程序

2.2.1。测量设备

Xbus大师,一个轻量级(330克)和便携设备使用运动追踪Xsens(产品缩写:MTx)单位方向和加速度测量身体的部分(见图1),用于测量躯干运动。MTx单元嵌入式加速度计和陀螺仪是准确的IMU drift-free 3 d测量方向和3 d加速。MTx单元被校准测量校准每个临床检查之前。MTx单位成立的一个轴坐标系的MTx单元是前后轴线平行,也就是说,对称轴的固定的固定平台Synapsys姿势描记系统参与者的站在那里,和其他两个轴是垂直于前后轴(即。平台的对称轴)对地球引力的方向;也就是说,superior-inferior轴共线的重力的方向。校准后,MTx单元放置在病人的树干根据(14,15),在较低的水平(腰2 - 3);参见图1。

数据集由三个欧拉角(辊()、偏航()和音高())以及三个正交的加速度(,,加速度计坐标系(即)。,three orthogonal components of acceleration direction corresponding to the three principal axes of the MTx unit accelerometer) were measured using an MTx unit placed on the subjects trunks while Pts and CG were performing a quiet stance on a fixed stationary platform of the Synapsys Posturography System [16,17]。传统的欧拉角描述(18]。三个加速度测量的加速度计MTx单元中详细描述(19]。

同时,测量人体中心的压力(COP)位移(即。,postural sway) by force platform, Synapsys Posturography System, was performed to compare the data obtained by the traditional method with the data obtained by the IMU. The Synapsys Posturography System provides information about the area of the 95% confidence ellipse of COP excursions [20.]。对比警察特性和加速度计数据发生因为警察运动是由COM(重心)运动,此前的位置各个部分的位置。重要的身体部分是加速度计的树干(即。IMU)。躯干的位置的变化,这是衡量使用IMU加速度,因此也直接影响COM的位置,因此警察。当然这些数据可以对其他部分的影响不同警察位置;但是假定主干位置(或其运动)对警察的位置变化最重要的影响。将检查和验证是否有确实的数据之间的相关性IMU和姿势描记的数据平台数据,这将表明,乌兹别克斯坦伊斯兰运动的平台是完全可替换的。

2.2.2。测试程序

每个参与者的身体摇摆是衡量Xsens系统(Xsens技术容积)和Synapsys姿势描记系统(Synapsys Inc .)在公司表面上安静的立场(FiS)和软泡沫表面(FoS)提交睁着眼睛(EO)和闭上眼睛(EC) (21]。

序列的四个测量设置每个主题如下:EO FiS, EC FiS, EO”丛书,EC”丛书。4的顺序设置,成立之后,所有的参与者。主题的光着脚位置相邻,摊在30°的角度,和手臂总是挂的位置。任务包括站在两只脚至少60秒(22]。两个系统同时记录了身体活动;也就是说,两个系统同时记录的数据。(即时间同步的测量数据。,data from both systems) was achieved by controlling both systems and processing data on the same computer. The measurements usually lasted a few seconds longer, and the initial data have been cut off so that all data sets have a record length of 60 seconds. The data were recorded with a sample frequency of 100 Hz (for both systems). Kalman filter was implemented in the Xbus Kit system and the MT Manager software of the Xbus Kit system was used for data storage.

2.3。数据处理方法

加速度计的三个欧拉角和三个加速度坐标系统是用来计算加速度在全球参考系统,然后解剖坐标系。计算是基于旋转矩阵。第一个旋转矩阵旋转一个加速度向量在传感器坐标系()全球参考系统(): 的矩阵解释的欧拉角(23]: 在哪里

加速度矢量在全球参考系统然后旋转解剖坐标系(): 在第二个旋转矩阵是

这个角在校准过程中获得的MTx单位。计算加速度向量代表superior-inferior加速度()、中侧的加速度(),前后加速度()。加速度向量,或者换句话说,与时间有关的数据(,,)作为一个3 d图绘制。点的集合是通过绘制加速度与对方;参见图2。测量的时间,记录长度的数据集(60),和采样频率(100赫兹)影响的点集。记录频率必须足够高,以记录也很短的时间内和随机位移身体的部分,没有信息的活动范围在维持姿势稳定的立场。使用更多的注册点更高的频率,可以在不丢失信息的前提下更准确地记录运动在某些阶段的快速运动,通过低频数据收集注册。例如,信息损失可能发生地震引起的部分高频率。因此,数据收集在100赫兹的频率使用太1.7.0经理版本,调整人类的动作,由制造商推荐(24]。采样频率为100赫兹的选择也遵循了之前的研究成果,使用相同的运动跟踪系统(见[25- - - - - -29日])。

确定病理平衡控制的新方法是基于数学工具静态姿势描记(20.,30.]。我们可以模型测量数据的分布由二维凸包或3 d凸多面体(CP) [31日]。一个变量可以用来描述二维凸包的形状或三维凸多面体的面积或体积。我们使用一个方法基于测量数据的分布的描述(例如,,,CP)。在数学、点集的凸包(SP)的欧几里得空间是最小的凸集,其中包含SP (32]。CP可以定义为所有凸集的交集包含SP或所有的凸组合的集合点在SP (33]。点集是通过绘制三个加速度与对方;参见图2。CP在3 d空间点集的最小凸区域封闭所有的点集;参见图2。点的数量是由测量的时间(60)和采样频率(100赫兹)。一个专门设计的MATLAB程序基于MATLAB软件的功能(MATLAB R2010b, Mathworks公司,纳蒂克,妈,美国)是用来计算3 d的CP阴谋。MATLAB中的凸包计算使用的德劳内三角测量34]。因为没有已知的CPV的计算方法,我们可以用方程用于计算任意多面体的体积(PV) (35- - - - - -37]: 在哪里是一个平面多边形的面积呢:

因此 在哪里平面多边形的顶点的脸吗面向逆时针的向外指向正常平面多边形的脸是一个单位向外指向向量正常具体平面多边形的脸:

计算光伏,专门设计的MATLAB程序也使用。因为CP的体积与体积的3 d获得的阴谋策划,,与对方,的物理单位体积是m³·年代⁻⁶。虽然MTx单位也感觉重力加速度,没有必要减去重力加速度因为计算光伏的方法只使用加速度的变化和重力加速度是恒定的垂直于水平面地球表面的。

95%的置信椭圆的面积(ACE)警察远足是用来比较获得的数据由IMU姿势描记系统获取的数据。姿势描记Synapsys系统直接计算领域。因此,没有必要把测量数据。面积的物理单位是毫米²。

2.4。统计分析

计算每个病人和健康主题的CPV后站在FiS”丛书EO和EC, Jarque-Bera测试用来测试计算CPV的正态分布。中位数(Mdn),最小(最小值),最大(Max),第一象限(Q1)和第三四分位数(Q3) CPV被用来比较结果。同时,魏克森讯号等级测试和Wilcoxon等级测试是用来评估的意义和测量结果之间的差异,也就是说,比较不同的立场和CG分条件。显著性水平是设定在。同时,斯皮尔曼等级相关系数的凸多面体的体积与信心警察远足椭圆的面积计算研究IMU数据之间的差异和压力中心的数据。使用MATLAB软件进行统计分析。

比较同一年龄组的并不是必须的,因为研究表明身体的参数影响的年龄范围内的健康受试者20至60年仅略有不同(38,39]。青木et al。38]发现10-60-year-old科目有微不足道的差异在警察(即影响参数。伯格商)。同时,详细分析与年龄有关的增加警察多项式类型参数的回归表明,身体摇摆的逐渐增加,也就是说,重要的降解稳定性,以增加警察的振荡,60岁后开始(39]。

3所示。结果

统计数据是用来说明cpv的Pts和CG之间的差异;参见图3和4。结果列出从姿势描记平台(见图5和6)提供的数据评估IMU通过比较他们的姿势描记的数据平台。下面的情节显示最小,最大,Mdn, Q1和Q3 cpv和ace计算。因为一些计算值不正常分布,Wilcoxon测试是用来比较和分析数据集。在所有情况下组之间的比较数据,影响的大小范围从中度到大;计算值大于0.5。电力软件(3.1.9力量。,Universität Kiel, Germany) was used for the calculations.

3.1。比较安静的姿态试验

CG FiS的比较和EO CG在FiS EC ()没有任何差异。差异被发现当比较分FiS EO和分在FiS EC (),CG”丛书EO和CG安全系数与EC (),分与光电安全系数和分安全系数与EC ()。在CG或分EO和EC站在FiS,中值的测量数据显示,轻微的增加后的cpv闭上眼睛阶段(图3)。在CG或分EO和EC站在安全系数,测量数据显示值的显著增加后的cpv EC阶段(图4)。

3.2。比较患者和健康者

显著差异被发现当比较CG FiS EO和分在FiS EO (),CG FiS EC和分在FiS EC (),CG”丛书和EO Pts与光电安全系数(),CG在安全系数与欧共体EC和分安全系数()。在所有情况下,数据之间的显著差异CG和分被观察到。

中位数的cpv Pts站在FiS的EO cpv的中位数是4.0倍的CG和EO站在金融中间人。cpv的中位数与EC Pts站在FiS的中位数是9.7倍的cpv CG站在FiS EC。中位数的cpv Pts站在EO的安全系数是37.2倍大于中位数的cpv CG和EO站在安全系数。中位数的cpv Pts站在安全系数与EC值的222.4倍的cpv CG站在电子商务的安全系数。

3.3。IMU的数据之间的相关性和压力中心的数据

在CG EO站在FiS和安全系数,斯皮尔曼等级相关系数表明CPV的微不足道的相关性和王牌。在EC站在FiS的CG和安全系数,CPV之间的相关性和ACE是虚弱的。在大多数情况下,病人检查显示CPV和ACE相关性强;见表1。适度的积极关系IMU和力的数据平台的数据被发现在所有情况下。

4所示。讨论

本研究测试和验证新方法利用凸多面体的体积通过绘制三个加速度与对方。也证明了将立场的阶段任务的重要性在泡沫表面与EC在测量过程中,由于小脑性共济失调和CG不同患者之间的结果最明显的cpv FoS立场提交任务,期间观察到EC和EO阶段(40,41]。这个结论复杂姿态任务通过减少机械感受器感知强调躯干运动的差异之间的CG和分。同时,标识的方法显著差异之间的病人和CG在测量的所有实例。CPV的CG和分不同甚至在数以百计的CPV的测量单位。

尽管该方法获得的结果对应于这些传统方法的分和CG站在安全系数EO和EC,这部小说之间的平衡控制方法显示显著差异分和CG (8]。上述结果指向一些复杂性之间的关系失去知觉和赔偿这些损失通过移动树干。在病人的情况下,相关系数表明适度和CPV和ACE之间有很强的正相关关系。的重要信息描述的情况是非常重要的变化被认为只有在分主干地位。大幅波动的原因是只有在树干,主要是用于改善病人的身体的稳定,产生巨大的影响改变了COM的整个身体和对应于警察的位置(42]。相反,在CG的情况下,相关系数表明弱或非常弱相关性CPV和王牌。原因是警察的位置是一个复杂的运动链的结果。COM树干的小规模的运动阴影身体其他部分的动作。因此,在CG的情况下,小的变化在主干位置可能不同于质心位置的变化(COM)的整个身体,这不同于树干的COM。因此,对应于最低的相关性最小的躯干动作CG站时眼睛睁开。最终原因标准参数(例如,ACE)不相关的CPV是因为CPV描述复杂3 d树干加速度(即。,3 d运动)和ACE描述只有2 d数据分布在横向平面(二维空间)和忽视运动(即第三方向。垂直方向)(10]。甚至一个非常小的垂直运动的姿势描记平台可能无法记录会导致CPV的重大变化。如果我们假设CPV的面积反映到水平面,这可能与王牌。但如果反射的CP面积乘以一个相对较小的垂直运动的价值,这可能是小相比,水平运动,产生的模式根据不同的体积倍数的数量垂直运动的价值。

之间的显著相关性发现ACE和CPV立场FiS IMU的EC建议将来使用患者体位稳定性的评价,例如,小脑疾病较小的医疗中心,甚至在家里。姿势描记平台是宽敞和方便使用在小型医疗中心或在家里和艾莫斯可能因此取代平台在治疗过程中,同时使患者进行体位稳定性训练分别与乌兹别克斯坦伊斯兰运动中实现的,例如,一个手机。解释结果的测量数据是相同的姿势描记平台获得的结果的解释,因此使用时也可能是相同的治疗或手术后体位稳定性评价。基于上述很明显,姿势不稳定的决心和评估可能是现在使用CPV另外进行的,例如,在研究3 d的形式树干加速度。利用三轴IMU的主要区别与传统方法使用2 d轨迹是能够描述人体躯干运动在所有三个轴/飞机。新方法从而清楚地发现姿势控制差异分和CG甚至更大的姿势稳定性差异分和CG。临床试验通常用来评估一个受损的姿势稳定有很大的变化(例如,临床试验的感官互动平衡和其他人)。这个缺点可以消除使用该系统和方法可以用来评估更多的细微变化姿势稳定个体病人疗程。结论从上述,CPV的潜力可能有助于获得清晰洞察姿势稳定和姿势平衡问题,这在医学检查和康复医学是至关重要的。

本研究还采用了一些局限性。主要一是招募受试者的规模相当小,可能不完全适用于更大范围的人口,即使它产生统计上相关的结果,它仍然可能导致一个更大的研究。另一个可能的限制是机会的存在差异比较没有产量统计相关的结果。然而,可以肯定的说,10分和11 CG样本相关设计的初步研究目的研究退行性小脑症患者使用该技术的基本特性。此外,可能限制可能也比较的非均匀年龄组。尽管之前的作品的引用,年龄差距不应构成重大影响给出结果(38,39),这将是有趣的使用方法比较年龄组,从而证实或反驳的影响年龄相关性的结果。

5。结论

以前所有基于凸壳的应用程序只考虑两个variables-two坐标或两个角度不是加速度(22,32]。然而三维凸包的版本也可以用来研究3 d运动的患者通过测量三轴IMU用于临床实践。这个设计有两个主要原因。第一个原因是,一个变量定义的形状三维凸多面体允许我们研究3 d运动的变化作为一个整体由新的和更便宜的三轴艾莫斯。此外,期间三个加速度的测量的组合特定的平衡任务可以识别新的和具体差异平衡控制的病人与健康受试者相比。第二个原因三个加速度的测量和评价,而不是只有两个角,廉价的校准三轴IMU数据可能不准确,因此,在所有三个方向的加速度减小测量的三维运动信息的损失。特别便宜的艾莫斯当代手机或手表,价格的不断下降,相比昂贵的专业动作捕捉系统和姿势描记平台已经相当优惠,可能会发现使用在较小的医疗中心和远程医学由于设计方法。此外,还包含了所有三个加速度可以减小不合的影响传感器的身体部分。因此,该方法,它能够提供姿势考试使用廉价的3 d IMU在日常生活中,也可以使用新方法在医学领域包括康复考虑残疾人的干线协调。

设计方法和3 d IMU姿势描记不仅能够取代昂贵的平台,但也可以成为他们互补作用。身体运动的姿势描记平台允许评估作为一个整体,和介绍了姿势的稳定性的评价方法提供了一个给定的部分。该方法评价的姿势描记IMU数据遵循传统的方法使用平台,因此医务人员已经熟悉,很容易解释。使用平行测量的三维数据为二维数据使用IMU和姿势描记平台需要进一步研究这些解决方案的适用性及其对体检的贡献,例如,在康复过程。对未来临床使用它也会适当增加动态测试的姿势稳定的静态的,因为更大的复杂性考试也因为执行静态测试治疗期间不与动态测试的改善患者生活质量(这也很重要)。

相互竞争的利益

作者没有利益冲突。

确认

这项工作是在生物医学工程学院,联合部门反恐组,框架和布拉格查尔斯大学的研究项目。VG20102015002(2010 - 2015年,MV0 / VG),由内政部的捷克共和国,和项目SGS16/109 OHK4/1T / 17日在布拉格的捷克技术大学。作者还要感谢Andrej Madoran,英航,本文的翻译。