文摘
人口老龄化对公共和私人构成威胁健康和社会系统。在过去的50年,平均寿命增加了20年,2050年,预期寿命将超过90岁。然而,在生命的最后几年的生活质量没有保证由于功能下降和脆弱,最终发展到残疾。因此,及时的检测条件是至关重要的。介绍了超声波传感器步态速度测量装置通过一个移动控制界面,允许病人自我评估物理性能。系统开发和验证一个迭代过程涉及共有28个科目(21在第一轮第二个和7)。第一次评估医院大学德赫塔菲之后,一些技术问题出现而可用性测试评估。第二个版本解决识别问题在技术上大学良好的前提和有前景的结果进行验证。未来的工作设想部署系统的开发的受试者的家庭远程,客气地监测。
1。介绍
根据世界卫生组织(世界卫生组织),在过去的50年,平均寿命增加了20年,如果它继续增加,到2050年,预期寿命将超过90岁(1]。因此,老年人相关条件和疾病今天比过去更为普遍。由于这些原因,主要的努力正在进行调查和分析老化的影响,在脆弱等条件,对认知和生理功能的影响,以及如何防止这些改善生活的质量和持续时间。弱点被定义为一种增加状态易受不良结果由于减少应对压力的能力(2]。脆弱的轨迹通常表现为发展的功能下降,在依赖和残疾的高潮2,3]。
阻碍疾病的早期检测是复杂的,和一个明确的算法和clinical-friendly筛查工具检测脆弱和/或残疾的缺乏。长寿并不一定等同于健康生活。开发早期检测工具将允许干预,以防止或延缓发病的弱点,从而防止进一步的残疾。
小的变化在不同的健康指标可能表明存在基本条件的病人。这种状况直到很久以后可能不会出现明显症状时,来不及采取预防措施时,非常昂贵的干预,导致长时间的住院和永久的制度化的风险更高。步态速度等指标用来衡量一个人的脆弱程度(4- - - - - -6]。
步态速度恶化是最重要的一个指标功能的衰减能力,与发展中国家脆弱的风险,后来残疾(7]。任何功能衰退的早期检测是关键,提高老年人的生活质量,减少他们的依赖性。
步态速度通常是衡量卫生专业人员在医院或日托设置,通过手动测量两个条纹之间的时间,病人走坐落在地板上在不同的距离,根据所使用的工具。在古典SPPB(短电池物理性能)测试(8),4米的距离,但对油炸的标准,这个距离是4.3米(2]。医疗保健专业人员使用手动天文钟,不准确的风险,不同专业之间的差异和不同的测量(国米和intraobserver可变性)。此外,病人可能花几个月没有获取步态速度测量,可能它们的功能条件恶化之前不可逆状态任何健康专家可以干预。
介绍了设计、施工、和验证一个超声波传感器的步速测量装置通过一个移动控制接口,旨在使病人在无人监督的自我评估的物理性能在家里和医院和卫生专业人员使测量更可靠。
下一节介绍相关工作的主题。部分3礼物的第一个版本提出设备及其临床评估在医院环境。部分4提出了修改版的设备和技术验证第二个版本。最后,部分5介绍了结论聚集。
2。相关工作
研究系统收集与健康有关的指标和测量步态速度,可分为可穿戴,non-wearable-based设备和传感器网络。
2.1。可穿戴设备
大部分的作品相关监控和sensorization老年病人的医学分析是基于使用可穿戴设备收集数据,有时甚至执行简单的措施。例如,Tirosh等人提出了一个sensorized袜子装有压力传感器测量的变量步态测试(9]。Adelsberger等人提出了装备惯性传感器获得患者步态分析办法,把这些数据通过蓝牙无线笔记本电脑进行进一步分析(10]。在同一条线上,有许多建议使用不同的可穿戴传感器的数据收集,比如从莫里斯和天堂11)主张集成传感器的病人的鞋垫和一个来自Atallah et al。12],提出测量变量通过一系列感应器放在病人的耳朵,等等。
另外,三浦等人提出使用手机挂在脖子上,安装在用户的夹克来测量步行特点,如步行距离、时间、速度、平衡功能、身体摇晃,步骤的数量。然而,其准确性步态速度太低SPPB测试(13]。
最后,超声波传感器被用来评估对象与可穿戴设备嵌入式的步速;堰和切尔德里斯提出一种设备,结合超声波脉冲和红外技术来确定用户的实时位置对一个基本单位。步态速度剖面分析提供了参数如节奏、步长、步时间变化(14]。
的主要缺点的使用这些可穿戴设备需要连接到病人在某种程度上,是他们的侵入性。他们可能改变执行的条件分析,影响用户的行为,在某些情况下,他们可能会不符合用户的一些条件。例如,一些病人在每天使用矫形鞋垫,这使得它不可能引入第二个鞋垫测量变量行走。同样的问题会发生在袜子或shoe-coupled设备以及其他nonwearable设备。
一些建议使用不同的环境传感器来收集至关重要的变量。最常用的设备之一,为此Kinect®,由微软开发的一系列组摄像头和红外传感器,允许它探测深度、视频,记录并分析动作和姿势等特性。几个研究论文是基于这个设备,如(15,16),利用其资源记录的措施,然后模型的一系列重要参数,如经度的步幅,步行速度,和行走方向等措施。这些建议是为了工作在病人的家庭和收集所有可能的数据进一步分析,通过建模,可以获得extrainformation重要的健康专业人士。kinect系统可能提高隐私问题,因为它是由摄像机记录的用户。
其他的研究,如17,18),提出sensorized垫,基于压力传感器矩阵,获得这些变量。这些解决方案大多局限于使用卫生设施内,由健康专家在一个受控的环境中。他们太昂贵和难以校准用于家庭设置。
当考虑内部监控系统,有一个额外的困难的测量数据的分析和评价,因为事件发生时没有监控,而不是医疗办公室的受控环境。当病人在家里,没有简单的方法检测散步开始,当它结束时,如果有外部因素影响走路的速度和方向(例如,如果病人携带一些)或者如果有其他变量影响测量。石头和Skubic减少“噪音”介绍了通过这些因素决定的应用模型,算法,以及步态变量来确定“有效的”走(16]。Van Den Broeck等人提出了他们的调查一个公式,利用全球相干场(GCF),估计和消除可能造成的影响,上述噪声(19]。
2.2。传感器网络
一些研究已经关注行为的监控,如如何使用传感器网络帮助医疗问题的早期检测和监控遵守医生的建议关于生活方式和药物摄入量为慢性疾病(20.]。
罗切斯特大学建立了一个智能医疗家庭在他们未来的健康中心,充满了不同类型的传感器、功能实验室,测试和开发各种设备、传感器、和应用程序,可以作为保健综合系统的一部分(21]。同样地,意识到在佐治亚理工学院,是一个豪华坟墓依山,5040平方英尺的设施旨在促进研究的三个主要领域:健康、娱乐、和可持续性,调查新技术如何影响人们的生活在家里(22]。
实现国内传感器可以给老年人人口之间的完美平衡独立和适当的监控。例如,Zouba等人提出的实现多个传感器连接到家具在家里,再加上相机视频分析监测老年人的行为执行日常活动,比如做饭和吃饭23]。木等人把行为监测进一步结合辅助生活。他们把收集的数据来自多个异构传感器和美联储到后端层分析和结合了数据,以产生的决定可能会影响其他设备,如电源管理器(24]。这个系统被认为是可扩展和增加更多的传感器和用户界面的能力,这是一个类似的目的提出了这项工作。与其他许多提出的解决方案,它使用一个专用的查询软件语言称为SensQ,专为这个系统使得开发其他消费者更难采取它。它也有一个封闭的体系结构使它复杂的集成第三方外部发展。这两个限制通常导致增加部署成本和报废的风险。
3所示。UltraGaitSpeed系统v1.0
测量的步态速度在家庭环境中,我们设计了一个轻量级的、低成本的超声波传感器系统称为UltraGaitSpeed。Android的传感器设备通过蓝牙连接手机,记录测量数据,允许用户控制系统。当网络连接可用时,数据被发送到云服务器。
我们的方法步速测量的目的是提供一个轻量级和低调的解决方案,解放用户穿任何类型的设备和利用一个非常强大的设备(现代智能手机),有一个巨大的处理能力和良好的质量/价格比率。
一条光传感器的Arduino电路板可以很容易地部署在一个房子,可以提供必要的信息来监测步态的衰变速度,可能表明更严重的健康问题,需要立即援助。聚集信息上传到服务器和安全地连接到他的医院信息系统,所以医生可以监视病人进化,警报可以在临床环境中长大当一个病人的病情迅速恶化。
3.1。系统设计
我们选择HC-SR04超声波传感器的轻量级和低成本的特点。该传感器使用声纳,发出一个信号从一方和接收,测量一个物体的距离在它前面减去两信号之间的时间。这意味着我们可以发现当一个物体在传感器前面通过跟踪措施之间的距离变化。因为这些传感器发射超声波声波,声波驱散锥形的方式,我们需要执行一些测试传感器做出决定关于传感器的数量和建立传感器之间的最小距离,以避免干扰(图1)。
广泛的测试后,我们确定35厘米之间的最小距离传感器的工作而不受干涉的自由,和5个传感器提供足够的准确性因为额外的传感器没有改善测量(图2)。
5传感器连接到一个Arduino UNO董事会和它们之间设置了一公尺分离一个灵活的EVA泡沫地带。由此产生的四条可以复制SPPB步态速度测试所使用的卫生专业人员。
为了弥补传感器和保护电缆,例3 d打印每个传感器及其连接(图3)。这提供了一个解决方案所需的鲁棒性是安装在家里设置。
设备运行一个简单的软件,循环遍历连接传感器,发送一个信号,并侦听响应,这是存储在一个本地变量。遍历所有的传感器后,它将通过蓝牙发送JSON格式的传感器收集的数据,相对于系统启动的毫秒数作为一个时间戳。
移动应用程序允许用户调整传感器,启动测量,并在屏幕上得到的数据结果。它还测量数据存储在一个内部日志,这是上传到服务器网络连接时可用。
第一个版本的UltraGaitSpeed系统工作流程图如图4。应用程序引导用户在系统操作所需的所有步骤,即蓝牙使,传感器校准、测量步骤,最终结果显示。
启用蓝牙连接在两个步骤。首先,应用程序检查激活蓝牙的设备,然后与Arduino电路板。接下来,传感器校准开始,使用一系列的迭代,以确保稳定的每个传感器测量距离。这些距离后测量的基线。如果前面有运动传感器,校准将失败。如果有失败在任何这些步骤,该应用程序将显示一个错误消息给用户。
当校准完成,系统开始测量步态速度。测量是通过检测事件的手段。当用户由传感器检测到,传感器测量偏离的距离基线测量和记录一个时间戳。最后,当每一个传感器都有发现病人,在每个传感器通过时间和总时间计算了减法。
在屏幕上按下启动按钮,可以重新开始一个新的测量过程。
3.2。评价
即使我们的系统所使用的是病人和非正规照护者在一个extrahospital设置,我们需要验证,系统采集步态速度测量和手工测量一样可靠的卫生专业人员的医疗设施。
为此,我们进行了一项实验:老年患者参加日间医院老年服务在医院大学德赫塔菲(拥抱)。目的是验证的准确性和可行性提出了测量解决方案和当前的手工实践。
3.2.1之上。实验设计
我们的假设是提议的超声波传感器解决方案的使用允许传导,以一种精确的方式,SPPB的步态分析、不同阈值的±0.5秒相比人工措施,这是当前老年服务实践拥抱。
患者的入选标准参加实验如下:(我)70岁以上(2)老年服务病人的拥抱。
排除标准如下:(我)认知障碍:minimental测试结果低于20(2)高度的残疾:Barthel指数低于60。
病人被随机选择从那些来到医院,一天至少有2例中选择下列每一个组:(我)病人不需要任何技术帮助行走(2)病人需要拐杖走路(3)病人需要一个散步。沃克
两个单独与每个病人进行了测试。首先,步态测试中描述的第2点SPPB分析是用来测量的速度行走,让病人站在一开始就四条线,包括加速度速度(静态)开始。第二,一个普通的步态进行了测试,在病人开始计在起跑线前(动态)开始为了排除加速度的测量。
试验设计的初衷是为了同时测量使用当前手工方法和提出的系统。手动方法是用两个绿线之间的病人行走而卫生专业人员测量用秒表。对于每个测试,三个总共测量:两个独立的手动措施和建议的解决方案,所有这些由健康专家经验测量步态速度。所有的卫生专业人员参与采取的措施能看到别人所采取的措施。
形式的手工测量结果准备以及SUS(系统可用性量表)25满意度问卷和印象问卷收集的信息系统可用性卫生专业使用我们提出系统的实验。
当前协议的步速测量SPPB测试后:为每个病人测量两个行走和采取有效的措施。
赫塔菲的大学医院伦理委员会批准了这项协议。
3.2.2。实验执行
当天的实验中,我们建立了数据采集设备和移动应用程序进行测试。收集设备的设置是一个非常简单的过程,在不到5分钟。
三个健康专业人士自愿参加实验的数据采集,其中我们随机分配角色的手工收集和使用应用程序。在选择专业时,我们给他们一个简短的说明实验和他们的任务和提供了个人数据收集形式。移动设备已经安装的应用程序是为测量提供了卫生专业。
实验项目如下:(1)在选择那些符合入选标准的病人,表示愿意参与(通过签署知情同意),卫生专业继续解释测试的。(2)受试者被要求进行两次测试(静态和动态)开始。他们的步态速度是衡量卫生专业人员。提出的一个专业步态速度自动测量系统,和另外两个专业人员执行手动测试使用当前的方法(秒表)。手工收集的结果在一个特别的纸质表单。(3)完所有的患者的研究中,我们收集了纸张形式的卫生专业人员和要求使用应用程序的一个完整的满意度和印象的调查问卷。
进行实验后,数据进行的分析,以确保系统的可行性分析如下变量:(我)数量的措施,正确地结束了(2)数量的措施,必须重复(3)每个测试的准备时间(iv)偏差相关的控制措施。
实验进行了21个自愿病人符合纳入和排除标准。他们的平均年龄是81岁,最年轻的患者在71年和90年的最古老的。技术艾滋病患者的数量,如手杖和助,是7的总21患者纳入研究。
实验与病人很顺利,不需要从研究者进一步干预。有轻微的校准问题的患者使用拐杖走路,解决后重启系统。
3.2.3。结果
把实验做完后,我们继续收集的数据的提取从形式和调查问卷完成卫生专业人员使用该应用程序。
首先,我们将收集的数据合并为一个电子表格,按一种分组测量(秒表1和2和应用程序)。在这之后,一系列的数据处理应用于数据如下:(1)我们选择作为最后的措施为每个主题下测量两者之间,每一个被测试(动态和静态开始),通常是通过卫生专业人员在执行这个测试。(2)最后的测量为每个主题,我们计算之间的平均人工措施用秒表来比较这些措施获得的应用程序。(3)接着,我们计算出不同模块的措施获得的手动过程,这些从应用程序,和所有它们之间的组合:(一)手动测量1和手动测量2之间(b)平均之间的人工措施和应用程序(c)手动测量1和应用程序之间(d)手动测量2和应用程序之间。(4)这些措施之后,我们开始计算统计变量的差异。这些是为了测量有关的应用程序能够在实验中得到正确的措施。获得的变量是意思是,中位数,模式,截断的意思。(5)我们决定计算截断阈值为10%的均值差异。这允许我们消除异常值的10%计算(占2措施),因此省略偶尔应用程序可能有错误。
数据处理后,我们得到的结果详细表1的情况下测量没有加速度,在表2的情况下测量包括病人的加速度。整体实验的相关变量如表所示3。
关于满意度调查问卷,反应了SUS得分为72.5分,略超过平均的可用性分数作为一个参考为SUS得分为68.5。这表明在用户满意度而不是一个出色的水平。
开放的印象从健康专家问卷调查显示良好的知觉,它提供了一些相关改进的建议:(我)优化校准和不需要病人等,站在没有运动而系统校准。老年病人站一段时间有困难,因为他们很容易累。在某些情况下,有可能他们失去平衡(2)为了避免每次都执行校准,测量。系统只能第一次校准,提供一个按钮来调整健康专家认为合适的时候(3)从传感器中提取额外变量,如方向走,变化的速度、步长、步长等。实施的建议,我们将需要审查和执行一个深入的分析收集的数据,以确定哪些这些提议的新变量可以从当前的传感器。
3.2.4。讨论
这些结果显示部署的可行性提出系统在临床环境和卫生专业人员使用它。但低于阈值的可靠性措施建立之间的最大差0.50秒的手工测量和自动测量。考虑到所有这些措施落在区间2.15 - -9.47秒,0.64或0.67的平均差异太高了。
进一步的详细研究结果与卫生专业人员在拥抱公布了该算法用于UltraGaitSpeed v1.0测量步态速度并不完全符合古典步态速度测试中使用的测量标准,经常表现在拥抱。对静态和动态步态速度测试开始,事件触发测量的开始和结束的时刻,最后跟主题达到马克在地板上,而我们的解决方案的算法实现v1.0开始测量当传感器检测到第一个脚。这就是为什么走艾滋病的存在产生了一些错误。
关于标定,系统失败几次静态开始步态速度测试。在这种情况下,主题站在起跑线上,正前方有脚的尖端,并等待命令。即使是最小的变化检测在起跑线上的距离,由于学科”或步行艾滋病”运动,触发的时机和产生不规则的测量。
此外,要求测试的系统只在一个方向上进行,而软件可以检测行走方向,因此捕获两个测量每个病人不需要他或她走回起点。病人可以扭转在第一次测量和第二测量另一个方向走。
4所示。UltraGaitSpeed v2.0
为了克服v1.0的确认主要问题,我们设计了一个新的算法(图5)和一个移动应用程序的新版本(图6UltraGaitSpeed v2.0)。
新算法认为最后一个传感器检测事件的时刻考虑用户传递这样一个传感器(图7)。更适合这个关键时刻,病人的脚后跟离开传感器检测领域。这一刻是用于建立测量的开始和结束,镜像的方式健康专家定义的开始和结束时间执行这个测试。同样,这一标准决定了部分时间。
传感器之间的距离是固定的,已知的,探测视场角是相同的。因此,如果我们假设病人会直走,最后一脚的地步放弃每个检测字段将被分离的距离传感器本身。
v2.0的我们的设备,我们可以测量所花费的时间从传感器传感器B。
图5描述了新算法用于v2.0的系统。当传感器检测到用户之一,它被激活并等待视场退出事件,此时时间戳登记。为了确保退出事件实际上是身体的最后一部分通过(而不是,例如,第一脚或手杖),每个段的步速的测量测试是没有证实,直到退出事件在未来传感器产生的地带。(最后确认传感器有一个超时,因为它没有其他传感器旁边。)对于一个新的检测事件之前确认在下面的传感器,传感器等待预期退出事件,然后重置时间戳。
这个新算法需要以下优点:(1)它复制经典步态速度测试中使用的测量标准由专业人员在临床的设置。(2)开始时间是在病人离开时自动触发第一个传感器,而不需要在移动应用程序。(3)校准不要求病人等待一动不动就在第一个传感器。与病人进行定位或远离传感器地带,背后和测量将自动开始在病人经过第一个传感器。我们将避免错误引起的小的距离变化而病人等待校准结束。
4.1。评价
我们评估这个新版本的建议与七个用户在68年和79岁之间,其中六个与流动性问题和两个需要拐杖。
在所有我们已经部署UltraGaitSpeed v2.0的迹象的地方主体把自己定位为动态和静态开始测试。我们已经简要解释了系统是如何工作的,以及它如何控制从移动应用主题,以同样的方式作为我们预见系统安装程序做当系统实际上是在家庭环境下使用。
每个参与者被要求测量两个走与一个动态静态开始和两个开始,总共提供四个系统的措施。
生物医学工程师培训在拥抱SPPB测试测量由用户手动用秒表时间两个极端之间的传感器(4米)。随后的测量器的标准用于常规临床实践。时间时,必须记录的最后跟病人经过线标志着开始和结束的4米高的行走。
以下4.4.1。结果
时机进行分析的结果复制UltraGaitSpeed v1.0评估的协议,但只有一个秒表测量作为比较的参考。
测量的新算法表现出更大的可靠性比以前版本的设备实现。绝对和相对误差之间的秒表和UltraGaitSpeed v2.0已经减少。事实上,平均绝对误差小于0.5秒的建立接受错误。此外,错误的标准偏差较小与第一个版本相比,这说明这个版本的错误在一个较小的范围内,因此是可以预见的。
走的时间问题与使用艾滋病在这个新版本已经解决了。试验有两个病人使用步行艾滋病证明UltraGaitSpeed v2.0的可靠性。他们的测试的平均相对误差小于整体(3.95%),和测量器没有报告任何事件与此相关的问题。
观察对象在使用系统和开放的谈话内容,提供了了解一些可用性问题,需要解决如下:(我)“测量……”传达的时间观看已定时,虽然它实际上意味着传感器校准和已经努力发现无论经过。(2)错误和警告消息,如出现超时过去传感器离开时,需要重新考虑用户的语言说话,有些人甚至不应该显示,除非应用程序处于开发模式。
尽管改进的余地,UltraGaitSpeed v2.0被用户接受。他们完成了系统可用性量表(SUS)和用户体验调查问卷(UEQ) [26)执行步态速度测试后,给UltraGaitSpeed v2.0的SUS平均得分73.5。
研究已经证明,SUS平均分数是68。因此,我们已经表明,我们的系统比基准,可用在第二象限(27]。
在UEQ的情况下,我们在新奇和刺激,取得非常好的业绩好的结果在吸引力,效率和可靠性,结果高于平均在明晰(图8)。
4.1.2。讨论
尽管研究人口的小尺寸,结果表明UltraGaitSpeed v2.0可用于无人监督的环境评估患者的步态速度,从技术的观点。
此外,新算法防止UltraGaitSpeed v1.0更经常性的错误之一。最初的算法开始引发错误的时机当病人等待的小运动开始的静态测试检测实际运动开始。
这些结果,我们确认新的设计消除了错误的开始,每个测量,通过测量算法考虑当用户离开每个字段的检测通过的时间。
UltraGaitSpeed v2.0的验证表明该系统在其使用的可行性目标受众:老年人。参与验证显示良好的系统的有效性和可用性的意见,即使他们提出必要的改进。
进一步验证是必要的目的最终环境:病人的家庭。纵向研究是必要的,以便更好地了解系统可以由其面向的用户经常使用。
5。结论
我们提出了两个版本的UltraGaitSpeed (v1.0, v2.0),传感器系统控制通过一个移动应用程序测量步态速度,旨在使用病人自己或他们的照顾者。
通过双循环验证和设计过程,提出了系统已经显示出它的实用性自动测量步态速度通过低成本和轻量级的解决方案,可以很容易地部署在任何医疗机构,在日托中心,甚至在私人家里。作为一个Android应用程序控制系统,这将允许使用在病人的或非正式的护理自己的手机,从而进一步减少集成解决方案的成本。
即使在控制环境中进行了验证与卫生专业人员或研究人员,该系统可以ambient-assisted生活的传感器网络的一部分,导致一个更好的生活质量和条件恶化的早期检测,需要专业的医疗帮助。
系统的可用性水平需要改进与新redesign-evaluation循环、可接受性和可用性问题解决。
我们研究的下一步是验证系统在医院环境中使用的第一个版本的验证和一个纵向研究在家庭进行设置。在这些研究中,我们将询问最合适的传感器数量和长度的地带。目的是减少带钢长度为2米,促进其可靠与有限的空间在家庭环境中使用。
该系统将扩展到解决其他SPPB测试部分和其他元素从椅子上站等老年综合评估测试(时间进行测量病人在椅子上坐下来,站起来再一次5倍),自愿失去体重,和脆弱的琳达油炸的项目标准。我们将提供这些元素通过传感器系统的摘要或通过移动应用的扩展。
在随后的阶段,目标是创建一个系统基于UltraGaitSpeed措施步速的方法,而不需要用户主动启动测量。如果传感器地带可以尽量安装在走廊墙壁和步速测量每次用户经过时,它将提供更丰富的信息,同时不会增加压力的指令和操作手机。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究由EIT健康方面(脆弱保健和函数)的基金项目和CIBERfes(菲德尔)。作者要感谢所有的志愿者,帮助他们来验证他们的解决方案作为测试对象,感谢评论家深刻的评论。