“穿和测量”方法:连接关节稳定性智能服装系统光学跟踪测量

文摘

关节稳定性对维持正常的日常功能至关重要。然而,评估的稳定性经常仍然依赖于主观的或突出的方法。一种低调的方法是我们的衣服评估我们的关节稳定性。方法。一个可连接的服装传感系统组成的一个新的应用程序(ACSS),由一个灵活的炭黑和聚氨酯复合膜,对光学跟踪系统测试评估如果ACSS放置在膝盖可以提供稳定的结果与光学跟踪结果。稳定挑战通过减少的基础支持和通过消除视觉产生不同的实验条件。结果。平淡和奥特曼情节表明通用之间的相对误差测量系统在每一个稳定状态。然而,在所有条件的斯皮尔曼相关系数为0.81 ()被发现之间的位移值和ACSS,显示出良好的稳定性测量之间的联系。肌电图(EMG)还表示,联合不同条件之间的稳定受到挑战。经历了ACSS用户舒适和不明显。结论。本研究表明,智能服装以一种低调的方式可以测量重要的生理参数。这种“穿和测量”方法可能会改变在未来我们如何收集相关的临床数据。

1。背景

平衡地方要求电动机系统,系统小扰动可能会快速而深刻的失败原因,如下降(1]。扰动需要快速编码和转换成正确的运动响应为了稳定机械系统。就功能而言,这转化为个人的必要性关节保持稳定而又不会影响整体的任务。平衡可以被视为一个国家只能达到如果每个负重关节功能稳定。关节稳定性可以被定义为能力保持不变或扰动后回到初始状态2]。共同稳定在这个研究是指当地位移时由于内部扰动的联合,等因素造成的噪声在神经系统(3]。功能性关节稳定这一事实本身就是一个复杂的生理和神经影响的整个运动控制系统(2)使其功能测量方式对临床医生和研究人员都感兴趣的一个特定关节的性能。关节稳定性直接关系到平衡,话题收到了很多关注的领域内康复。近年来已经有了更客观的趋势和移动测量工具来评估平衡。这是由渴望有更多的生态有效数据集和预测未来人的健康状况。系统符合“走出实验室”经验包括,例如,accelerometry-based方法(4,5)或传感器垫(6]。然而,这些系统不一定是专注于开发特定的关节或低调的长期监测的设计。他们往往缺乏一个以用户为中心的设计方法。如果系统真的想突破研究临床或实验室的他们需要考虑这些用户首选项(7]。

系统更用户友好的收益率更高水平的遵从性和易用性是一个至关重要的因素来考虑(8]。以病人为中心和临床驱动原型设计一个可连接的衣服最近介绍传感器系统(9]。该系统包括灵活的传感器,可以连接到服装测量运动。的变形传感器改变了电气性能(电导率)的传感器材料,从而量化传感器的形状的变化与人类活动发生。结果表明,这种传感器的方法可以准确地跟踪运动的矢状面膝盖时感动了测力法(9]。这是假设,当传感器被放置在无约束的联合站条件,传感器变形量会增加当关节变得更不稳定。这些变化可能是最容易注册大关节,如膝关节。通过这样一个系统与智能手机可以提供稳定在任何给定的环境中特定关节的信息。

膝关节也经常受到肌肉骨骼条件和活动能力受损的主要原因是当疾病组(10]。疾病或骨科疾病的膝盖已经改变姿势控制和减少稳定已经注意到在关节或韧带损伤由于感官输入的变化(11]。本研究的目的是评估是否可连接的服装传感器系统(ACSS)放置在膝盖提供结果,与那些获得光学跟踪系统。一系列的稳定性条件将用于生成结果的传播价值。肌电图(EMG)测量将收集产生额外的独立参数集建立整个实验协议延长稳定是什么挑战。用户也将被要求完成一个简短的用户体验调查问卷来确定这些系统是如何认为的。记录这个信息之前,需要有更多的可穿戴技术研究报告的态度,观念,和关注的用户(12,13]。

2。方法

2.1。主题

总共10(3 7雄性,雌性)健康的受试者招募,平均年龄为23年(范围19-26岁),平均身高180厘米(范围158 - 193厘米),和平均体重为78公斤(范围49 - 95公斤)。

2.2。道德声明

所有参与者给书面研究和自愿的知情同意和批准的协议是帝国理工学院研究伦理委员会(ICREC_12_3_3)。

2.3。过程

一个肌电图(EMG) Myon系统是连接到主体的大腿的实验设置。肌电图是用来测量表面股外侧肌的肌肉活动,股内侧肌、半腱肌和股二头肌为每个参与者。参与者被要求执行三个最大随意收缩(MVC),每只持续5秒,5秒打破之间的收缩。Cybex测力计(人类的常态,CSMI Inc .斯托顿,妈,美国)被用来获取所有腿部肌肉MVC值。价值最高的MVC后来用于肌电图数据规范化。规范化为每个单独的进行信号的最大值除以肌电图。

随后,受试者简要指示所需的衣服可连接的传感器的位置,并要求穿上衣服本身没有任何进一步的帮助。选择这种方法来模拟ACSS期间潜在的实际应用程序的传感器设置应该一样的打扮自己。参与者穿上服装后走来走去,以确保传感器解决了之前在“自然”的位置稳定测量。光学跟踪标记被附加在服装使用双面胶带。

所有科目的“基线”测量得到确定的数量变化信号在生理情况稳定,不需要电机控制膝关节。在这个基线测量参与者被要求静坐在长椅上挂着他们的腿自由在地板之上。重量(5公斤)安全地连接到脚以减少任何不必要的波动。五秒时间测定,在此期间,参与者被要求尽可能保持仍然。

平衡活动进行主题站在硬光着脚的,水平表面。每个平衡活动的目标是尽可能仍然站了30秒。四种不同条件下实施,每个条件重复5次。条件由站在两条腿或一条腿,眼睛打开或关闭(14]。在一条腿的情况下,参与者被要求尽快回到单腿站立时的平衡意味着他们不得不把左脚放在地板上。这四个任务被选为了确保关节稳定挑战跨范围内使用良好的实验条件。所有条件进行以随机的顺序和肌肉活动数据聚集在每个任务不断。

参与者还被要求完成一个简短的问卷在研究结束时,请求信息的用户体验ACSS(请参阅附录中补充材料,可在网上http://dx.doi.org/10.1155/2015/762869)。

2.4。装置

可连接的服装传感器系统(ACSS)由一个聚合物传感器是缝在服装组成的商用服装粘弹力织物。避免传感器结合石墨化炭黑与聚醚树脂Texin 985生产材料,电阻变化参考传感器的形状。惠斯登电桥的配置是用来测量电阻的变化。聚合物复合材料的尺寸10×50×0.2毫米(宽长度××高)的活性表面积330毫米²。数据收集与Matlab (MathWorks公司,纳蒂克,妈,美国)使用一个USB数据采集板(美国国家仪器USB 6211采集)。更多的规范和背景信息可以找到关于ACSS (9]。

一个被动光学跟踪系统(Vicon Nexus Vicon运动系统有限公司,牛津大学,英国)是ACSS(图作为参考系统1)。反光标记放置在股骨大转子,两上髁,malleoli的脚踝,和第一和第五跖骨的右腿。外侧上髁被用来计算一个稳定措施,由于其接近ACSS传感器。所有其他额外的制造商被用来确定位置的外侧上髁解剖参考系内住。

光学跟踪系统和ACSS被发送的脉冲同步的光学系统的USB数据采集板ACSS开始和结束的每一个数据采集。两个系统的数据收集采样频率为100赫兹。

Myon EMG软件集成了光学跟踪装置提供一个无缝的系统之间的同步。表面EMG从Myon ma - 300年收集的数据无线肌电图5 - 10千赫带宽的系统单元。一次性双相表面银/氯化银电极(Ag) / AgCl)凝胶到每个肌肉根据SENIAM指南(http://www.seniam.org/)。电极间的距离(中心距)大约2厘米和肌电图数据采样在1000赫兹。概述的实验装置图1。

2.5。数据分析

每个任务的最后20秒被用于分析,允许主题使习惯于在每个任务的起始平衡条件。

肌电图数据预处理通过应用肌电图信号的全波整流,紧随其后的是一个四阶低通,零相位滞后巴特沃斯滤波器的截止频率6赫兹(15]。肌电图数据随后使用10点平滑移动平均线(16)和归一化来确定平均信号幅度对于一个给定的任务。

均方根(RMS)之前使用平均偏差值量化稳定(17,18),提供了一种计算方法,可以很容易地应用在两个测量模式。RMS是计算 在哪里信号的长度是和是指数。

平均均方根是所有运动的方向的被动标记,以生成一个单一的测量变量。RMS是计算两个系统通过使用移动窗口650 ms。窗口大小是根据经验确定在试点阶段,通过寻找最高和最低的稳定条件的最大区别在测量方法和识别相关的窗口大小。选择窗口大小的范围,探讨了将简单反射次反应时间反映的更复杂的平衡情况(19,20.]。

数据没有遵循一个高斯分布,如图所示Shapiro-Wilk测试正常和qq的情节。因此,非参数统计分析技术被用于进一步的评估。Intracondition可靠性评估是平淡和奥特曼分析(21]。平淡和奥特曼分析进行规范化(除最大值)有效值ACSS和光学跟踪数据。斯皮尔曼相关系数之间的有效值计算光学跟踪装置和ACSS来确定两个测量系统之间存在相同的顺序。

条件之间的肌电图振幅差异与弗里德曼因此测试测试和重要结果进一步研究邓恩的多重比较检验。弗里德曼的排名计算测试依赖肌电图振幅的顺序在每个主题。

3所示。结果与讨论

3.1。基线测量

在基线测量平均均方根(±标准差)值的0.26毫米(±0.14毫米)光学跟踪装置被发现,这是以前静态测量标志(22]。ACSS了RMS值2.4 mV(±0.4),因此符合价值发现以前在实验室检测9]。

3.2。肌电图测量

肌电图测量(图2显示重要弗里德曼测试结果在所有四个监控的肌肉。邓恩的多重比较试验表明,所有的肌肉没有差别振幅之间的两个条件中有一个很大的支持基础。股二头肌也显示没有区别的大型和小型基地支持视觉反馈条件。所有其他的比较表现出显著差异之间的条件。

3.3。稳定的测量

平淡和奥特曼阴谋(图3)显示比例误差大的支持(LV),没有远见(LnV),以及一个小与愿景(SV)支持基础。小基地的支持,没有视觉(SnV)的变异ACSS似乎更依赖于位移测量的光学跟踪装置。

斯皮尔曼相关系数为0.81被发现之间的位移值和ACSS(图4),这表明一个好的两个变量之间的单调协会的力量。

3.4。用户体验

用户发现服装舒适,虽然一个用户发现“有点大,但是很舒服。“材料主要是认为是“好”或“不错,“虽然一些用户表示,他们“没有问题”的材料,用于服装。一般来说,适合被认为是好,但是一个用户提到它是“紧”和三个其他用户强调有点松了。概述的其他反应问卷给出的表1。

3.5。讨论

研究表明,可连接的服装传感器系统(ACSS)放置在膝盖可以量化功能共同稳定性能的方式与光学跟踪结果。协会是强大的一系列不同层次的站稳定和稳定确实是挑战透露的肌肉活动数据。在特定条件下相对误差出现如图所示的平淡和奥特曼的情节。两者之间的差异可能是由于测量大ACSS改变的敏感性,因此收益率更高的比例差异当联合变得更不稳定。平淡无奇的线性观测和奥特曼情节(C)可能的后果的高灵敏度ACSS下界的稳定光谱相比,光学跟踪系统。检测的能力平衡的变化在早期用于监测至关重要。

之前的研究已经证实,下肢肌肉活动增加而消除视觉在独腿立场,而视觉反馈几乎没有变化对double-legged立场(肌肉活动23]。视觉系统没有出现为两条腿的姿态的稳定性和刚度条件(24]。这项研究的结果是按照先前的发现和解释发现重叠在关节稳定性结果之间的两个“大基地支持”条件。这一结果在肌肉活动也反映在光学跟踪的数据和ACSS,表明这是明显的现象在测量模式。运动的结果数据之间的可比性和肌肉活动数据显示,分化仍然是可以实现的,尽管层联合服装。

关节的稳定性会受到一系列因素的影响如肌肉激活(25],损伤[26),或者神经生理反馈机制27]。这使得联合稳定一个有趣的测量方式为第三方监测甚至自我评估。此外,它也是一种间接的许多标准临床评估的一部分。然而,常用的临床试验,如Berg平衡规模,通常都地板和天花板效应(28),他们专注于系统作为一个整体。收集的数据规模不断当地可以提供一个更加敏感的技术测量特定关节的稳定性。

ACSS还可以提供直接的反馈,当移动窗口方法是应用于实时。这允许关节稳定性训练穿的服装和接收视觉或听觉反馈关于RMS值。它已经表明,站在平衡是可训练的29日)和反馈稳定将为患者群体产生更好的结果(30.]。当前系统需要成为无线为了使ACSS适用于几乎任何环境中不引人注目的培训。

概括性的结果仍然有限,由于小样本人口和工作的早期阶段,但跟踪的不引人注目的性质通过服装似乎运作良好和用户积极回应。令人鼓舞的初始用户反馈也表明,测量通过服装是一个可以接受的和潜在的更好的测量方式重要的临床参数。一般来说,用户认为服装是舒适的,低调的,容易磨损。应用程序的一个“一刀切”服装似乎产生可接受的结果在一系列体型(范围158 - 193厘米,49 - 95公斤)。然而,穿的衣服短时间在实验室并不能反映用户体验的人必须穿它更长时间在非学术或临床周围。因此建议衣服的下一代传感系统覆盖范围的大小优化out-of-lab用户体验。这些结果的普遍性更不稳定的人群如老人或病人需要进一步调查。

环球服装的结果本文提出了似乎是有效的在一个不同的形态,表明可能只需要一个小范围的大小。建议大小年代,M, L的欧洲标准(EN 13402)应该足以覆盖大部分的人口。

尽管参与者被要求如实回答,有机会因社会赞许性反应偏差源自subject-researcher交互之前调查问卷(31日]。用户体验应该小心解释和解释与其他用户偏好文学。

4所示。结论

这项研究表明,关节稳定性,与服装传感器,测量与参考测量获得相关光学跟踪系统。智能服装可能对监控人类函数变得越来越重要。使用日常衣服测量稳定性提供了一种新的unobtrusiveness水平可以使病人和医生受益直接用户,在不影响质量的测量。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

珀斯h . m .伯格曼参与了传感器设计、研究设计、伦理应用程序中,数据收集、分析,帐面价值,论文的审查。亨利古蒂是参与数据收集,数据分析,帐面价值,论文的审查。Irina Spulber, Salzitsa Anastasova Pantelis乔治奥,艾莉森·h·麦格雷戈参与传感器设计、帐面价值,论文的审查。

确认

这项工作是支持的威康信托基金会和EPSRC。

补充材料

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