基于计算机视觉的职业治疗师姿势控制定性评估量化方法

抽象的

本研究旨在利用计算机视觉（CV）技术，开发了量化姿势控制的技术。常规的定量指标，职业治疗师定性临床评价，并使用图像分析算法基于CV-定量指标被应用到评估的34名通常开发学龄前儿童的姿势控制。基于CV-索引的相对有效性进行了研究，以目前的方法，探讨了该方法的临床适用性。基于CV-指数，以反映治疗师的定性评价的能力得到了证实。此外，与以往相比定量指标，所述基于CV-指数提供以较低的成本更详细的定量信息。基于CV-评估使治疗师以量化的当前定性观察电机的性能细节。这种精确的定量方法的发展将提高职业治疗的科学性和实践，让治疗师发挥自己的全部潜能。

1.导言

职业治疗的目的是促进人们参与日常活动[1］．这种疗法是提供给一个客户的广泛，从儿童到老人。职业治疗师进行的客户目前的身体机能，活动，并在日常生活中参与整体评估并得出这些方面之间的相互关系。在儿科或学校职业治疗领域，特别是如姿势控制和日常活动身体功能之间的关系，因为身体机能形成对儿童的关于职业表现技能，如自我保健的基础是非常重要的，通信，并受学习[2]事实上，在被诊断为发育障碍（如自闭症谱系障碍）的人中，姿势控制受损的情况已被广泛报道[3.- - - - - -5]，注意缺陷/多动障碍[6，7]发展协调障碍[8，9]因此，有必要设计身体功能的评估指标，使治疗师能够全面掌握这些困难。这些指标也有助于建立证据，证明职业治疗在制定对职业治疗干预敏感的结果指标方面的有用性[10］．

然而，目前的评价指标存在严重的局限性，尤其是定量指标。首先，传统量化方法的粒度较粗。在儿科作业治疗的临床实践中，经常使用的评估，如儿童运动评估组合2[11布鲁inkks - oseretsky运动能力测验[12]，或日本的神经心理学能力嬉戏评估[13产生的量化结果仅仅是任务成功的数量、持续时间或速度。尽管这些指标可能有用，但它们不足以详细描述关键的运动表现，如平衡、反重力姿势或代偿性运动，治疗师只能定性地观察这些表现。其次，职业治疗师在上述评估中通常会进行的详细定性评估往往被排除在指标本身之外，因为这种评估被认为难以量化。尽管某些评估方法可以使用专门的设备(如身体摇摆仪)对此类定性观点进行量化，但这些方法通常相当昂贵，且临床可用性较差[14］．最近提出了一些解决方案，如使用消费电子设备进行评估[15，16］．然而，职业治疗师似乎仍然采用基于某些标准的实用分类方法，以方便临床，而不是量化运动表现的质量。第三，目前的运动技能评估程序需要大量的时间，给患者带来了身体和精神上的负担，导致患者更加疲惫，积极性降低[17]。特别是，姿势控制基本上需要保持姿势平衡的能力，以及保持身体部位的位置不受重力影响以保持姿势稳定的能力。治疗师利用不同的任务独立评估这些能力（例如，分别用一只脚站立进行静态姿势平衡和用俯卧伸展进行反重力姿势）[18，19］．技术的发展使治疗师能够在一项任务中同时观察这些能力，可以减少时间成本和病人的负担。

在本研究中，我们研究了计算机视觉（CV）技术的应用来解决这些问题。深度学习技术的最新进展在单目人体姿态估计领域取得了重大进展[20- - - - - -23]。这些方法仅从RGB图像或电影中估计人体关键点（如关节）的2D或3D位置。利用此类姿势估计方法的CV研究使研究人员能够轻松量化人体姿势或身体运动[24- - - - - -26］．在过去的几年里，CV技术已被应用于医疗领域，其中包括，例如，自闭症谱系障碍的诊断[27，28]或检测步态异常[29］．虽然对姿势和身体动作的详细定量分析传统上需要特殊设备，如动作捕捉或力板，但这些技术创新有可能降低成本，并使临床治疗人员更容易实施。

本研究的目的是开发一种通过使用称为OpenPose的姿势估计算法来量化姿势控制的技术[20并通过与个别职业治疗师的定性临床评价进行比较，探讨该技术的临床适用性。作为实现这一目标的第一步，我们对正常发育的儿童进行了简单的姿势控制评估，即静态姿势维持任务。

本研究对职业治疗领域的贡献首先在于证明了更准确、更详细的定量评估的可能性，其次在于简化了常规评估任务，消除了特殊设备，减少了时间投资，减轻了客户负担。此外，本研究还可以加速职业治疗和计算机视觉领域之间的合作。

2.材料和方法

2.1.设计

典型发育儿童执行日本标准化的发育任务以评估姿势稳定性，并计算了三种类型的指数：（1）测量持续时间（DT）的常规定量指数，（2）治疗师使用7点Likert量表进行的定性临床评估（TQCE）和（3）基于静态姿势平衡（SPB）和反重力（AG）图像分析算法的基于CV的定量指标。然后，我们调查了基于CV的分数反映TQCE的程度（分析1），以及基于CV的模型与基于DT的模型相比的有效性（分析2；图2）1).作为协作和跨学科研究，职业治疗师和CV工程师都参与了研究流程的每一步，以避免由于明确的分工而相互缺乏理解。

2．2.参与者

34名学龄前儿童(14名女孩; ； ； ）来自日本两所幼儿园的学生参与了这项研究。另外5名儿童也参与了实验，但由于他们在没有帮助的情况下难以保持任务姿势而被排除在最终样本之外。这项研究的所有参与者都被认为发育正常。每位参与者的父母都提供了书面知情同意，本研究得到了白虎学院研究伦理委员会的批准(18012)。

2.3.仪器仪表

日本游戏神经心理能力评估(japan)是一套用于评估儿童感觉整合能力的发展评估[13，30，31]，它是在美国以前开发的测试（如感觉统合测试和练习测试）的基础上在日本开发的[32，并从大样本(489名4-10岁的日本儿童)中进行了标准化。日本测验由32个子测试组成(平衡和反重力姿势6个，躯体感觉7个，练习15个，眼手协调和视觉感知4个)，这些已被证实具有较高的评价者间信度(每个子测试的组内相关性范围为0.81-1.00)和内部一致性(所有子测试的Cronbach’s alpha为0.75)[33］．

在JPAN子测验中，我们选择了平衡和反重力姿势领域的单臂和单腿平衡作为本研究的实验任务。这项任务要求参与者保持所谓的“鸟狗姿势”长达60分钟 每侧的s，其中他/她从四点爬行姿势抬起一侧的手臂和另一侧的腿（见图1）.这个任务需要一个陌生的平衡[34]，因此被认为在某种程度上消除了与会者分裂技能的影响。尽管保持该姿势需要多种功能，包括静态姿势平衡和反重力，但该任务仅通过DT进行定量评估，这是选择该任务的主要原因。

2.4.任务程序

每个参与者都在幼儿园的一个空房间里单独完成任务，根据JPAN手册执行任务两次（每侧一次）（最多60分钟） 考官鼓励参与者尽可能长时间保持鸟狗姿势（例如，“举起你的手臂！”）.从侧面和每个参与者躯干上大致相同的高度对任务执行情况进行录像，因此视频帧包括每个参与者在矢状面上的整个身体。

2.5.应用指数

计算了三种类型的指数，以探索哪些指数最适合反映治疗师的定性临床评估。

2.5.1。DT

每个参与者保持姿势的DT是通过检测参与者完全伸展胳膊和腿的框架，以及这些身体部分的任何部分都附着在地板上的框架来测量的。如果60秒后这些身体部位的任何部分都没有放在地板上，任务就终止了，持续时间记录为60秒。该指数是日本常用的定量结果。

2.5.2。TQCE

三位儿科职业治疗师(本文作者Hagihara、Noda和Takahata;他们的临床经验分别约为4、2和11)根据每个治疗师的临床观点(7分李克特量表，其中7分表示最优秀的表现)评估任务绩效的质量。这些治疗师单独观看并评分录制的视频，因此他们不知道其他治疗师的评分。此外，他们还观看了OpenPose尚未分析的原始录像。因此，在评估时，他们根本不知道每个参与者基于cv的定量指标的结果。评估者之间的信度较高( ）.对三位治疗师的评估进行平均，以确定TQCE指数。

2.5.3.基于CV的方法

首先，三位CV工程师(Ienaga, Terayama, Ishihara，本文作者)使用OpenPose 1.4.0版本进行了人体部位的关键点检测。OpenPose是一个使用卷积神经网络实时多人关键点检测的开源库[20]。使用称为部件关联字段（PAFs）的方法，OpenPose可以考虑每个关键点的位置关系，即人体骨骼结构。该算法有助于提高关键点位置的准确估计。OpenPose可以估计25个身体关键点的2D位置，这些关键点大致对应于关节（例如，关键点6是左肘；见图1）.自动计算每一帧每个关键点的置信度，置信度取值范围为0 - 1(值越大置信度越高)，便于理解关键点估计的精度。例如，在Figure中1，所有用于后续分析的关键点均以高置信值(>0.5)检测。

由于训练数据的影响，OpenPose可以更准确地检测人的头部在上方、腿部在下方时的关键点。输入视频旋转90°以使参与者的头部向上，因为参与者保持了如图所示的鸟犬姿势1在OpenPose检测到关键点后，将其向后旋转90°。为了消除检测噪声，在每帧中移除置信值小于0.5的关键点，并进行线性插值。

由于职业治疗师除了评估持续时间外，还评估SPB和AG，因此我们对这些项目的定义如下所示。

2.5.4。静态姿势平衡（SPB）

我们首先计算移动距离 ．

是关键点在帧方向上的平均移动距离(表示视频的帧数。移动距离在两个连续帧之间 除以身体长度 ．身体长度是视频所有帧中与颈部和臀部相对应的两个关键点之间距离的平均值。将移动距离除以身体长度的原因是为了减少受试者高度差异以及相机与受试者之间距离差异的影响。有实际四对于手腕的关键点肘部的关键点伸展的手臂和脚踝的关键点膝盖的关键点是什么SPB是标准化值(z-score)获得如下: 哪里和指出平均值和标准偏差 ，分别。SPB的均值和标准差分别为0和1，这是因为SPB是标准化的，以消除数值大小对其他指标进行多元回归分析的影响。高SPB表示高静态姿势稳定性。

2.5.5.反重力姿势（AG）

AG计算为 哪里和是地板与伸展手臂和腿部之间的绝对角度，分别如图所示1．这里，“臂”是指颈位与腕肘平均位置相连接的向量，“腿”是指臀位与踝关节和膝关节平均位置相连接的向量。因为这些都是绝对值，所以无论肢体升高或降低，角度都会增加。为在帧方向上两个角度之和的平均值的负数，AG为标准化值(z-分数） ．高AG表示高反重力姿势。

2.6.数据分析

首先，我们使用斯皮尔曼秩相关系数（分析1）调查了基于CV的分数（SPB和AG）反映TQCE的程度。接下来，我们比较了基于CV的模型与基于DT的模型的有效性（分析2）.SPB、AG和DT一起或单独使用DT作为解释变量，并使用TQCE作为目标变量进行回归分析，随后在假设试验时间不变的情况下，进行回归分析预测值和TQCE之间的相关性分析。

3.结果和讨论

3.1.基于CV的分数反映TQCE的程度

基于斯皮尔曼等级相关系数的分析，SPB与TQCE呈显著正相关( ， ）.AG也显示出与TQCE显著但微弱的正相关( ， ）.当这两个基于简历的分数都很高时，TQCE往往会更高2）.

3.2.反映TQCE的多元回归模型

将仅使用常规定量指数（DT）的评估与使用所有三个指数（DT和基于CV的分数）的评估进行比较，我们将TQCE作为目标变量，并在单次回归分析中使用DT作为解释变量计算模型，与在多元回归分析中使用SPB、AG和DT作为解释变量的模型相比，单独使用DT与TQCE具有显著的正相关( ， ）.然而，通过多重回归分析计算得到的值，其中包括基于CV-分数，显示出与TQCE更强显著正相关（ ， ）.

对于小于60的测试时间 s、 基于CV和DT的分数之间的差异更为显著（图1）3（a））.当测试时间减少到20秒时，基于cv的分数呈现更高的正相关( ， ；见图3（b）和3 (c))比单独DT ( ， ；见图3 (d)和3 (e)）.在全部68项试验中( )，DT等于或大于60的试验次数 s为18（26%），DT等于或大于20的数字 s为37（54%）。各回归分析结果如表所示1．

3.3.基于CV的指数的有效性

这项研究的结果揭示了以下两点。首先，无论是SPB和AG曾与TQCE一个显著正相关，TQCE往往较高时，这两种基于CV-分数均较高，表明这些指标量化TQCE好。第二，多重回归分析和随后的相关性分析表明，所述基于CV-模型反射的TQCE到比传统的基于DT-模型更大的程度，这说明使用基于CV-分数提供更详细的量化信息的评估。这些结果表明，克服当前的定量评价指标，这对于筛选有用的，但不足以用于验证的临床效果或描绘的马达演出细节，包括姿势控制的严重问题的可能性。虽然儿童的发育障碍一定的比例与姿势控制困难[3.- - - - - -9]，他们经常展示当前量化分数方面最大的性能，从而产生天花板效应[17，姿势控制困难只能通过治疗师的临床观察确定。通过使用基于简历的评分，治疗师可以定量评估他们的姿势控制，即使他们达到最大的DT。虽然AG和TQCE之间的相关系数显著但较低，但这可能是因为治疗师仅在确认初始评估项目(如持久性或静态姿势平衡)达到后才评估AG姿势。

开发的基于CV的得分SPB和AG，不仅有助于识别对儿童日常活动产生负面影响的姿势控制要素，而且有助于为职业治疗的疗效建立更有效的证据。身体功能（如姿势控制）是儿童职业的基础在自我护理、沟通和学科学习等技能方面的出色表现[2]此外，患有发展障碍的儿童，特别是发展协调障碍的儿童，经常会遭受心理问题，包括自尊心低下[35，36，焦虑和抑郁[37，38]。因此，姿势控制的质量改进可能有助于提高他们的活动和参与度，这些改进可以通过基于CV的分数来掌握，因为这些详细的定量指标反映了姿势控制的质量方面。这些分数还将满足发展功能性结果me的需要asures，对职业治疗干预敏感[10］．关于发育障碍患者的姿势控制的研究只集中在特定的姿势上，如单腿站立(例如，[39])或在双腿上（例如[40，41)，但其结果不能广泛应用于各种姿势。相比之下，基于cv的方法将扩大机会，以推进对日常生活中早期姿势发展和活动重要的一系列姿势的定性方面的详细和定量评估。

3.4。适用于更低的成本和更详细的评估发展

即使缩短了测试时间，基于cv的模型反映TQCE的程度也几乎没有降低。此外，在测试时间为60 s时，基于dt的模型与基于cv的模型在测试时间为20 s时反映TQCE的精度基本相同。这表明，有可能使目前的评估任务程序更容易和更简单，以减少测试的时间成本和病人的身体和心理负担。事实上，对运动技能差的儿童进行常规标准化评估的高成本和负担被认为是一个临床问题，因为较长的测试时间会导致疲劳和动力丧失[17］．基于CV-方法缩短了测试时间，也可以获得更为详尽的定量信息即两个科研和临床实践中。

本研究中使用的实验任务，“单臂单腿平衡”，同时评估多个方面的姿势控制，包括至少SPB, AG和DT。虽然在特别复杂的病例中，开发多个任务分别评估每个方面可能是可取的，但这增加了成本和患者的身体和心理负担，因此临床适用性较差。本文提出的研究表明，所提出的指标同时解决和量化了多个重要方面的姿势控制的多个方面，在不影响信息量的情况下大幅降低了评估成本。

3.5.限制和今后的工作

这项研究有几个局限性，因为我们对典型发育中的儿童进行了一项简单的任务，因此可以很容易地探索基于CV的量化和分析的临床适用性。对患有和不患有发育障碍的儿童进行更大的随机样本必须有助于确认该CV基础的有效性d方法。此外，应调查运动技能损伤的严重程度或其发展变化与基于CV的指数之间的关系，以用于诊断。还必须确认本研究中开发的姿势控制指数是否可应用于其他任务或姿势。facilitates治疗师对干预措施有效性的定量评估或验证在临床上尤为重要。尽管存在这些限制，本研究通过将职业治疗和CV领域结合起来，推进了职业科学与实践的融合。在未来的工作中，我们计划将重点放在本研究中提出的基于CV的方法的临床可用性（例如，用户界面）。此外，我们打算开发一种通用的量化方法，不仅可用于标准化评估，也可用于实际的职业活动，并适用于各种疾病。开发更精确的量化方法为考虑更有效的干预措施提供了基础，并有助于实现真正的目标充分发挥职业治疗师的潜力。

4.结论

本研究证实了基于CV的指数（SPB和AG）和TQCE的结果之间的紧密匹配。此外，与仅使用常规定量指数（DT）的评估相比，包括基于CV的指数的评估提供了更详细的定量信息，时间成本更低。这项研究显示了克服与当前定量评估相关的问题的可能性：它们不足以验证临床效果或详细描述运动表现，治疗师必须观察到这些问题e定性。本研究结果对职业治疗实践有以下启示：（一世）基于CV的指数的应用提供了详细的定量和可共享的信息，不仅有助于筛选评估，也有助于更精确地验证干预措施(ii)基于CV的方法可以减少时间成本以及评估任务对客户造成的生理和心理负担(3)利用CV技术可以直接定量评估日常生活中实际职业活动中的运动表现

这项研究还表明，在没有特殊设备的情况下，可以使常规评估任务变得更容易和更简单，从而使治疗师能够减少时间成本，减轻客户的生理和心理负担。职业治疗和CV的结合推进了职业治疗的科学和实践，从而使治疗师能够充分发挥他们的潜力。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据是Excel文件，其中包括DT、基于CV的指数（SPB和AG）和每位参与者的TQCE。请联系文章作者以获取数据。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

作者的贡献

H.Hagihara和N.Ienaga对这项工作做出了同等贡献。

致谢

我们要感谢T.加藤和M.坂上的深刻见解，而且我们也感谢我们的研究参与者。我们使用RAIDEN，AIP（RIKEN）的超级计算机系统，进行姿态估计和分析。这项研究是由格兰特在急救来自日本学术的振兴会（JSPS）研究成员（18J21948和17J05489）的支持。

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