Omfattende objektiv vurdering (COA) system

i denne studien brukte Vi BioKin17, en skybasert sanntids motion capture sensor plattform for å utføre en omfattende objektiv vurdering AV CA. BioKin17 er en trådløs bærbar enhet med et innebygd tri-aksial akselerometer (modellbrikkesett «MPU-9150» Fra InvenSense, Inc., San Jose, CA, USA) og en IEEE802.11b/g/n / trådløst kommunikasjonsgrensesnitt som kjører på en 32-biters ARM-prosessor. BioKin-sensorsystemet utviklet Av Networked Sensing And Control Lab, Deakin University, kan samhandle Med En Android-mobilapplikasjon for å fange komplekse bevegelser av en menneskekropp i sanntid, som illustrert I Fig. 1. Den er optimalisert for å redusere sedimenteringseffekter og problemer med sensordrift ved å eliminere kryssjusteringsfeil på brettnivå mellom hver treghetssensor17. Denne sensoren var benk merket mot et konvensjonelt flere kamerabasert optisk bevegelsessporingssystem (Vicon system, T40S, Oxford, STORBRITANNIA), et høypresisjons benkemerkingssystem18. BioKin fanget gyroskop – og akselerasjonsdataene i de tredimensjonale (3d) Kartesiske koordinatene med en samplingsfrekvens på 50 Hz. CA-vurderingen ble utført gjennom følgende trinn:

1. Bevegelsesinnganger generert av ni instrumenterte tester som etterligner de ni standard kliniske testene ved SENGEN AV CA som dekker de 5 domenene.

2. disse fanges opp av sensorer og visualiseres med et støtteprogram i en smarttelefon.

3. Trådløs overføring til en blockchain basert distribuert sky nettverk19 der diagnostiske og vurderingsalgoritmer brukes.

4. dataanalyseresultater forvandles til et klinisk relevant format.

en billedlig fremstilling av sensorplattformen er illustrert I Fig. 1.

Bevegelsesinngang

Fag Ble laget for å utføre ni standard kliniske tester; gjentatt stavelse ytring (SPE), rytmisk finger tapping (FIN), finger-nese / nese-finger (FNT), dysdiadochokinesia( DDK), ballistisk sporing / finger-chase(BAL), hæl-shin (HST), fot tapping (FOO), holdning/romberg (ROM) OG gangart (WAL). Oppgavene utføres inline med instruksjonene angitt I SARA som dekker alle 5 domener. For å unngå forstyrrende faktorer på grunn av sving mens du utførte testene i sittestilling, ble deltakerne gitt aksial støtte, dvs. sittende komfortabelt i oppreist sittestilling. Ryggstøtten på stolen var vinklet på 90-100 grader med tilstrekkelig tømmerstøtte i tråd med nedre rygg. Både høyre og venstre ben ble vurdert.

datainnsamling

COA-Systemet benyttet Inertial Measurement Units (Imu) utstyrt I BioKin-systemet i syv av testene for å fange translasjonell og roterende kinematikk i ortogonale akser via akselerometre og gyroskoper. Et Microsoft Kinect V2-kamera utstyrt med en 23-tommers skjerm og mini-PC med En Intel core i5-prosessor ble også brukt i en av testene for markørbasert bevegelsesopptak og for å oppnå absolutt posisjonsinformasjon.

Skybaserte algoritmer

de registrerte dataene overføres deretter til blockchain-basert distribuert skynettverk19 via den trådløse tilkoblingen for senere databehandling som gjør det mulig for leger å skaffe seg alvorlighetsgrad. MATLAB (R2019a, MathWorks) og Python-miljøer behandlet dataene som ble overført via trådløse midler.

Klinisk produksjon

de fangede dataene visualiseres gjennom android – basert smarttelefonapplikasjon, BioKin som genererer evalueringsrapporter og alvorlighetsgrad som følge av den skybaserte databehandlingen.

i VÅRT COA-System er gjennomsnittlig tidsmessig utgift ved å skaffe dataene via bevegelsesopptak fra hver av de 6 perifere testene (DDK, FNT, FIN, BAL, FOO, HST) mindre enn 15 sekunder. Balanse test (ROM) tar mindre enn 30 sekunder; gangart test (WAL) tar mindre enn 90 sekunder mens tale test (SPE) tar mindre enn 5 sekunder å skaffe data. Derfor er gjennomsnittlig timelige utgifter for å skaffe data og generere et kumulativt testresultat (ved hjelp av skybaserte algoritmer) for en enkelt pasient omtrent under 215 sekunder og 5 sekunder. Testsettet tar vanligvis opptil 30 sekunder.

Eksperimentell design

Deltakere

for en grundig analyse av abnormiteter som tilskrives timing, stabilitet, nøyaktighet og rytmicitet i motorbevegelser, ble tale og kinematiske data registrert fra 34 fag hvis morsmål var engelsk. Tjuetre ble tidligere diagnostisert Med Cerebellar Ataksi (CA) på grunn av en nevrodegenerativ lidelse og deltok På Neurology clinic Ved Royal Victorian Eye and Ear Hospital (Rveeh) eller Alfred Hospital I Melbourne. Elleve normale personer (kontroller) var frivillige uten noen historie med nevrologiske tilstander eller andre taleforstyrrelser. Oppsummering av kohortstatistikken er gitt I Tabell 1. Ingen av deltakerne (kontroller og CA) hadde gjennomgått noe rehabiliteringsprogram før denne kliniske undersøkelsen. Ingen av deltakerne (kontroller og CA) hadde gjennomgått noe rehabiliteringsprogram før denne kliniske undersøkelsen. En gjennomgang av litteraturen20, 21, 22 viste at alder av utbrudd, diagnosealder og andre demografiske faktorer ikke påvirker alder og gmoender-relatert til ataksi. Da vår studie var begrenset til en voksen ataksi kohort, var streng overholdelse av alder og kjønn matchet kriterier ikke mulig.

Etisk godkjenning og samtykke til å delta

denne studien ble godkjent av Human Research And Ethics Committee, Royal Victorian Eye and Ear Hospital, East Melbourne, Australia (HREC Referansenummer: 11/994H/16) og støttet Av Florey Institute Of Neuroscience And Mental Health, Melbourne, Australia Gjennom NATIONAL Health and Medical Research Council (NHMRC) Grant: gnt1101304 og app1129595. Alle metodene i denne studien ble utført i samsvar med relevante retningslinjer og forskrifter, og skriftlig samtykke ble innhentet fra alle deltakerne før de ble registrert. Informert samtykke ble innhentet fra begge fagene til å publisere bildene avbildet I Fig. 1.

Testprotokoll og funksjonsutvinning

de objektive vurderingene av de ni nevrologiske testene er gruppert i følgende 5 domener med en kort beskrivelse av deres utførelsesprotokoll. Et sammendrag av funksjoner som viste seg å være avgjørende i DIAGNOSEN CA i den relaterte respektive studien4,6,7,8,9,10,11 det er også tatt med for hvert prøvedel i Tabell 2.

Tale

• Gjentatt stavelse (SPE): kandidaten måtte gjenta konsonant-vokal stavelse/ta/ i 5 sekunder med ønsket hastighet. Opptakene ble gjort ved hjelp av en kondensatormikrofon klippet i en omtrentlig avstand på 10 cm fra motivets munn i et stille rom med lavt støynivå. En android-telefon ved hjelp Av programmet BioKinMobi under en profesjonell etterforsker tilsyn fanget talen. En topografisk prominens basert automatisert algoritme ble benyttet for å trekke ut seks akustiske trekk fra toget av gjentatte / ta / stavelse ytringer 4,6.

• Regelmessighet av varigheten måler variabiliteten i rytmen av gjentatt / ta /(RT) uttale. Dette er identifisert som et integrert mål på timingunderskudd hentet fra bølgedataene ved 50% prominens.Gap regularitet måler tidsforskjellen variabilitet mellom to påfølgende / ta / stavelse topper.

• gjennomsnittlig maksimal høyde / topp målt gjennomsnittlig relativ høyde / topp for en spesifikk/ta/ puls vurdert.

• Kompensasjonsregularitet målt variabiliteten i forskjellene beregnet mellom topp og tilhørende prominens for en spesifikk / ta / syllabisk puls.

• Dempingsforhold målt gjennomsnittet av / ta / stavelsenes dempingsforhold beregnet ut fra bølgedataene som ble hentet ut ved 75% prominens.

• Resonansfrekvens målt gjennomsnittet av / ta / stavelsenes resonansfrekvens beregnet på bølgedataene utvunnet ved 50% prominens.

Øvre lem

• Rytmisk finger tapping test (FIN): Deltakerne rytmisk tappet pekefingeren mot en horisontal overflate (f. eks bordplaten) på ønsket hastighet og varighet. En BioKin ble montert på dorsum av pekefingeren for datainnsamling. De første 3 Hovedkomponentene (PC) av multiscale entropi målt Fra X-og Z-aksene til akselerometersignaler og X-akse av gyroskopsignaler og variasjonskoeffisienten av inter-tap-intervallet som måler uregelmessigheten til rytmen, var de valgte funksjonene7.

• Finger-nese test (FNT): Deltakerne ble pålagt å berøre nesen med sin spisse pekefinger og deretter, med samme finger, nå ut og berøre klinikerens finger plassert ca 25 cm fra motivets nese. Håndbevegelser ble målt Av En BioKin festet til dorsum av hånden til pekefingeren. Resonansfrekvens og amplitude ved resonansfrekvens var de kritiske funksjonene8 som fanget Av BioKin festet til håndflaten av pekefingeren. Frekvensdomenebeskrivelsen av akselerasjon og vinkelhastighet ble brukt til å fange resonansen i Hver ortogonale akse (X, Y og Z)8.

• Dysdiadochokinesi test (DDK): Deltakerne ble pålagt å plassere dorsum av en hånd på håndflaten på den annen side, som vist I Fig. 1. Deltakerne ble deretter bedt om å pronere hånden, slik at palmsiden vender nedover for å hvile på håndflaten på den andre siden. Observanden er også instruert til å pronere og supinere alterntely mellom disse to stillingene så raskt og presist som mulig. Vekslingshastigheten er hentet Fra Biokins IMU festet til håndleddet. Denne testen undersøkt for manglende evne til å koordinere bevegelse. Frekvensen av endring av pronat og supinat, resonansfrekvens og amplitude ved resonansfrekvens var de kritiske funksjonene8.

• Ballistisk sporing (BAL): Deltakerne ble pålagt å peke på målet på en skjerm. Bevegelsen av pekefingeren ble oppdaget ved Hjelp Av Kinect-kameraet og ble presentert som en markør på skjermen. Målet er å følge målet nøyaktig via den projiserte (Med Kinect-kameraet) markøren på skjermen når målet beveger seg raskt og tilfeldig fra punkt til punkt på skjermen. Følgende ekstraherte funksjoner viste et signifikant nivå av korrelasjon med funksjonshemmingsnivået fanget av STANDARD klinisk mål SARA9:

• Feil: avstanden mellom markør og målbaner, målt ved Hjelp Av Dynamisk Tidsforvrengning i Horisontal(H) og Vertikal (V) akse.

• Omfattende tidsforsinkelse: Dette ble beregnet som kryss-korrelasjon for to-tiden sekvens, markør og mål.

• Kinematisk forsinkelse: Dette ble oppnådd ved hjelp av indeksen for ytelsesmåling i Fitts’ lov. Funksjonen er å måle ytelsen til motivet i å nå et mål posisjon.

• Retningsbestemt Endring I H-og V-aksen: dette er antall ganger deltakeren endret akselerasjonen som ble målt i retningsbestemt endring. Denne funksjonen inneholdt informasjon om over / undershooting samt ytelsen til motivet under testen. Høyere nivå av dysmetria utledet en større feilrate i henhold til forskjellen mellom målet og markørbanene.

Nedre lem

• Heel-shin test (HST): Deltakerne ble pålagt å plassere en hæl på motsatt kne og kjøre den langs tibia, mellom hælen og kneet repetitivt og så nøyaktig som mulig. Biokinen ble festet til fotens dorsum. Resonansfrekvens og amplitude ved resonansfrekvens var de kritiske funksjonene8.

• Rytmisk fot tapping (FOO ): Deltakerne ble pålagt å rytmisk trykke hver fot mot en horisontal overflate (f.eks. gulv). De første 3 Hovedkomponentene (PC) av multiscale entropi målt Fra X-og Z-aksene av akselerometersignaler og X-akse av gyroskopsignaler, og variasjonskoeffisienten av inter-tap-intervall som måler uregelmessigheten av rytmen var de valgte funksjonene7.

Balanse

• Romberg test (ROM): Deltakerne ble pålagt å stå med føttene sammen så med føttene fra hverandre, armene ved sidene så lenge som mulig (opptil 30 sekunder); først med øynene åpne og deretter med øynene lukket. En BioKin ble plassert omtrent på xiphisternum ved hjelp av et elastisk neoprenbelt. Den Andre BioKin ble festet på den øvre baksiden, i midtlinjen like under nakken. Fuzzy entropi teknikk ble anvendt på postural svaie hastighet utledet fra de målte avkortede akselerasjoner. Entropiverdiene23 av den utledede hastigheten ble vurdert primært som et mål for nevral motorstyring under en stille stående stilling, hvorav en betydelig del er proporsjonal med kroppens svinghastighet. Usikkerhet i hastighetsmålingen inneholdt et betydelig informasjonsnivå med hensyn til avkortet ustabilitet10.

Gait

• Gait test (WAL): Deltakerne ble pålagt å gå i 5 meter og returnere som ble gjentatt 10 ganger. Motivets bevegelser ble fanget av de innebygde inertialsensorene til en smarttelefon festet på xiphisternum ved hjelp av et elastisk neoprenbelte og to BioKin sensorer, festet til hver ankel. Sensoren ble plassert slik at X -, Y-og Z-aksene fanget HENHOLDSVIS ML (Medio-Lateral), AP (Antero-Posterior) og VT (Vertikal Akse) bevegelser. I hver ortogonale akse (X, Y Og Z) ble frekvensdomenebeskrivelsen brukt til å fange resonansen11. For hvert emne ble størrelsen og resonansen brukt i hver akse for å danne en funksjonsvektor. En annen funksjon, fuzzy entropy-basert velocity irregularity measure for truncal abnormity (VI) ble valgt i studien11 for å måle gangs tilfeldighet eller usikkerhetsnivå under gangavstand. Studien in23 introduserte fuzzy entropi (FuzzyEn) for å fange truncal ataksi.

i referanse til den ataksiske kohorten som ble inkludert i vår studie, for DE MED SARA – score 7 for å gå-i tilfelle et ganghjelp er nødvendig, blir pasienten bedt om å utføre testen ved bruk av riktig ganghjelp (dvs.en enkeltpunktspinne eller Firehjulsramme (4WF)).

Ataksiske dimensjoner (STJERNE)

Gordon Holmes verk er ofte sitert som å ha en grunnleggende innflytelse på vår forståelse av de kliniske symptomene og tegnene på cerebellarlesjoner2,3,24. I vår studie revidert Vi Holmes ‘ tilnærming til å karakterisere bevegelsen av subjekt med cerebellar dysfunksjon i form av fire dimensjoner (Stabilitet, Timing, Nøyaktighet & Rytmicitet).

• Stabilitet (er): dette gjelder stabilitet i plattformen (for utførelse). Plattformen er ledd og muskler som er relativt faste og lar den bevegelige kroppsdelen utføre en oppgave nøyaktig. FOR EKSEMPEL KREVER DDK-oppgaven relativ stabilitet i skulder – og albuebøyningen og forlengelsen for effektiv utførelse. Relativ ustabilitet resulterer i en økning i unødvendige bevegelser i sekundære akser.

• Timing (T): når CA er til Stede, oppgaver som har en tidsbegrensning, FOR EKSEMPEL BAL vanligvis er funnet å ha økt ventetid før bevegelsen begynner og oppgaven utføres med en lavere hastighet, fordi en mindre direkte kurs er tatt. De samme funksjonene er ofte tydelige selv i fravær av tidsbegrensninger. Disse funksjonene er mer tydelig når CA er mer alvorlig, noe som tyder på at, ubevisst, timing er en nøytral trade off for å fullføre oppgaven. I beregnings termer anerkjente vi det som feilen mellom målet mot det som er oppnådd, sannsynligvis påvirket av følgende to:

• tid for emnet å starte et øyeblikk.

• Tid for å fullføre en bevegelse (hastighet).

  • Nøyaktighet (A): Konseptuelt kan en oppgave fullføres sakte, men følger det mest effektive målet. Under disse omstendighetene vil vi vurdere dette for å være en «nøyaktig» ytelse. Når en mindre direkte bane følges (for EKSEMPEL I BAL oppgaven) eller det er under eller over shoot, vil oppgaven være’ feil ‘ sammenlignet med en kontroll ytelse(erkjenner at dette også kan være forbundet med timing feil). I beregningsbetingelser anerkjenner vi i denne studien det som feil mellom mål / rommål mot det som oppnås i en romlig kontekst (statisk).Rhythmicity (R): Uregelmessighet i gjentatte bevegelser.

funksjonene for hver test i vårt foreslåtte COA-System er tilordnet de nevnte dimensjonene gjennom følgende 2-trinns tilnærming:

1. (a) utførelsesaksen er retningen til den primære bevegelsen som kreves for å utføre den tiltenkte oppgaven og vil tilskrive rytmicitet eller timing dimensjon.

   (b) eventuelle avvik fra den mest effektive eller standardbanen som kreves for å utføre oppgaven, vil bli vurdert som nøyaktighetsfunksjoner.

2. Overdreven bevegelser i de andre aksene vil bli betraktet som sekundære bevegelser og attributt til stabilitetsdimensjonen.

en billedlig representasjon I Fig. 2 illustrerer STJERNETOLKNINGEN for hvert domene, i henhold til den foreslåtte 2-trinns tilnærmingen.

Kriterier FOR STJERNEMERKING.

i repeterende tester (DDK, FNT, FIN, FOO, HST) bidrar resonansfrekvensen langs y-aksen (primær) til hastighet og betraktes derfor som en timing-funksjon, mens størrelsen på resonansen betraktes som en rytmisk funksjon. De sekundære bevegelsene / forstyrrelsene som er tilstede i andre akser, kalles stabilitetsfunksjoner.

FOR målbaserte tester (BAL) anses enhver forsinkelse i den primære bevegelsen for å jage målet som en tidsfunksjon; hvor godt et mål er oppfylt eller noen grad av avvik i å møte målet definerer deltakerens ytelse og dermed måler nøyaktighet; enhver annen funksjon som sørger for overdreven/ineffektiv bevegelse er merket under stabilitet.

gangtesten består av å gå fremover i en rett linje (langs ap-aksen) i et vanlig tempo ved å løfte og sette ned hver fot på en rytmisk måte. Dette vil utlede rytmicitetsinformasjon mens omfanget av truncal sway fra AP-aksen (det vil si bevegelse I ML-akse) vil utlede nøyaktighetsinformasjon. Videre betraktes enhver uønsket sving i VT-aksen som stabilitetsfunksjon.

for balansetest forventes en deltaker å opprettholde en jevn rett stilling langs VT-aksen. Dette er deres primære bevegelse, noe avvik eller svaie I VT aksen vil gjøre rede for unøyaktighet og eventuelle andre uønskede avkortet svaie I ENTEN AP ELLER ML anses som stabilitet funksjoner.

for taletest betraktes funksjonene som måler rytmisk karakter av gjentatte/ ta /utterances, for eksempel gap mellom påfølgende/ ta /utterances, varighet av a/ ta / som rytmicitetsfunksjoner og resonansfrekvensfunksjonen som en timing-funksjon. Lavere dempingsforhold indikerer en høyere svingning. Derfor indikerer det nedre dempningsforholdet for a / ta/ uttale, som en ataksisk akustisk funksjon, ustabilitet av vokalkanalen under stemmeartikulasjon.

et sammendrag av de ni testene i 5 domener, genererer 172 funksjoner presenteres MED SIN STJERNETOLKNING I Tabell 2.

Klinisk vurdering

CA ble skårt av en erfaren kliniker i HENHOLD TIL SARA-skalaen mens forsøkspersoner med ataksi utførte hver oppgave. SARA ER en klinisk skala utviklet Av Schmitz-Hü25,26 som vurderer en rekke forskjellige funksjonsnedsettelser i cerebellær ataksi, alt fra tale til balanse. Skalaen består av 8 kategorier med score som varierer som, gang (0-8 poeng), holdning (0-6 poeng), sittende (0-4 poeng), taleforstyrrelser (0-6 poeng), fingerjakt (0-4 poeng), nese-finger test (0-4 poeng), rask vekslende håndbevegelse(0-4 poeng), hæl-shin lysbilde (0-4 poeng). Når klinikeren vurderer hver av de 8 kategoriene for en person, kan de videre beregne kumulativ score fra 0 (ingen ataksi) til 40 (mest alvorlige ataksi) for å bestemme ataksisk individs alvorlighetsgrad av ataksi. I vår studie, for å unngå subjektiv bias, vurderte en kliniker alle oppgavene.

3-lags evalueringsskjema FOR COA-system

teknikkene som skal inkorporeres i DET foreslåtte instrumenterte systemet (COA-systemet) er demonstrert gjennom et flytskjema (Fig. 3) og beskrevet i følgende underavsnitt.

3-lags Evalueringsprosess flytskjema FOR COA-Systemet.

funksjonsreduksjon og statistisk analyse

Original funksjonsutvinning for hver test var basert på relevante tidligere studier4,6,7,8,9,10,11. Totalt 172 funksjoner ble identifisert som kritiske for objektiv vurdering av individuelle tester. Prosessmålinger inneholder mange korrelerte eller overflødige data. Det er viktig å fjerne dem og trekke ut funksjonene som har den mest uavhengige relevansen. Principal Component Analysis (PCA)27 er et datakomprimering, ekstraksjon og visualiseringsverktøy som brukes til å transformere flere tilknyttede faktorer til en gruppe ukorrelerte variabler. PCA brukes til å komprimere de opprinnelige 172-funksjonene til 27-Pcer (3-Pcer fra hver av de 9 testene) (Fig. 3). Videre kommer kritisk informasjon ikke fra en enkelt variabel i en individuell test, men stammer ofte fra forholdet mellom variabler, dvs. hvordan de samvarierer. PCA er den mest hensiktsmessige blant de mest brukte multivariate statistiske metodene for å evaluere slik informasjon fordi DEN kan håndtere store antall høyt korrelerte, støyende og overflødige faktorer.

p-verdien for hypotesetesting beregnes for fordelingene av de resulterende 3-Pcer (PCs 1-2-3) av hver test med hensyn til hver av de 5 domenene (Tale, øvre lemmer, nedre lemmer, gang, balanse) for å avgjøre om gruppene av fag (kontroll og ataksisk) avviker vesentlig. I hvert domene, individer MED SARA måler større enn null, er gruppert som ataksisk, og kontroller og fag som scoret EN SARA score på 0 for en bestemt test er gruppert som normalt. Ikke-parametriske statistiske tester (Kolmogorovâ €»Smirnov (ks) og mann-Whitney-Wilcoxon (mww)) er vedtatt for å unngå forutsetninger om datadistribusjon.

Grafteori & sentralitet tiltak

Visuell kvantifisering av test / domene avhengigheter

Grafteori brukes for å få ytterligere innsikt i forholdet mellom tester og domener. Tester og domener ble tildelt nodene i et nettverk, som sammenføyde nodene med kanter med lengder som representerte Spearmans rangkorrelasjonskoeffisienter (ρ). Sentraliteten til en node indikerer antall kanter tilstøtende den noden og nærheten til alle andre noder som anses som en indikasjon på nodens betydning. Frekvensen som en node vises på den korteste banen mellom to andre noder er også et mål av betydning. Minimum Spanning Tree (Mst) analyse28 brukes i vår studie som et pålitelig mål for å sammenligne nettverkene på tvers av ulike grupper siden det er upartisk og ikke krever vilkårlige parameterinnstillinger29. MST har bare nylig blitt brukt på hjernenettverk29 og identifisering av kritiske gener i diabetes mellitus30. MST er en undergraf som forbinder alle noder for å redusere total kantlengde. I denne forstand ER MST» backbone » – nettverket som innkapsler inter-test/domeneavhengigheter. For å måle nærhet bruker vi følgende kartlegging for å oversette Rangkorrelasjonskoeffisientene Til Spearman (ρ) til avstander.