哈佛医学院论证IDEEA文章翻译-测量走动状态下的膝盖活动和身体运动

测量走动状态下的膝盖活动和身体运动:初步评估一个智能活动测量仪JamesHuddleston*1,3,AmerAlaiti2,DovGoldvasser2,DonnaScarborough2,AndrewFreiberg1,HarryRubash1,HenrikMalchau1,WilliamHarris1andDavidKrebs2地址:哈佛医学院哈里斯整形外科,生物力学和生物材料实验室,马萨诸塞州中心医院FRUIT街55GRJ1126波士顿MA02114-2696,哈佛医学院马萨诸塞州中心医院生物活动实验室MGH健康职业人员协会查尔斯镇海军36院第一大街#223波士顿,MA02129-4557,斯坦福大学医学院整形外科系300巴斯德快车道,R-105斯坦福,CA94305-5341.Email:JamesHuddleston*[e-mail];[e-mail];[e-mail];[e-mail];[e-mail];[e-mail];[e-mail];[e-mail];[e-mail]*Correspondingauthor摘要:研究背景:目前,只有极小量的仪器能够连续长期检测人类的关节运动.无伤害且价格便宜的能够测量人类运动和关节活动的仪器在医学研究方面有着广泛的应用.这种仪器可以在步态实验室之外量化人们的活动范围.此项研究的目的在于1:检验改良后的身体活动和能量消耗测试仪(IDEEA)测量关节弯曲角度的准确性;2:探测不同身体活动;3:确定健康受试者在走动状态下的深度弯曲膝盖的频率.研究方法:我们通过对比生物运动实验室(BML)的”金标准”的数据和同时用IDEEA测量5个健康受试者的膝盖运动,步态,举步/落步以及下楼的数据.另外,我们在实验室外用一系列舞蹈动作的身体活动来确定IDEEA准确测量7种常见身体活动的能力.然后受试者在步态实验室之外的日常活动过程中继续收集实验数据.研究结果:生物运动实验室(BML)的”金标准”的数据和IDEEA膝盖弯曲角度的共用相关性分别为:1,举步/落步是97%+/-3%;2,下楼是98%+/-2%;3,步态是98%+/-1%.在BML协议中,IDEEA能够精准识别步态,识别举步/落步和下楼的准确率相对低些.在BML之外的取样中,IDEEA能够准确无误的探测走路,跑步,上楼,下楼,站立,躺及坐.总体来说,受试者弯曲膝盖的角度都120º,其中他们有17%的数据在BML之外收集的.研究总结:改良后的IDEEA系统是一个有效的临床监测工具,它能够在走动状态下测量膝盖运动和多种身体活动.这些5个健康受试者很少弯曲膝盖120°.研究背景人类身体活动的复杂性使得制造一种有效的,准确的,有成本效益的测量日常状态下的身体活动的仪器成为一种挑战.[1-3].步态实验室的价值是建设精良,但其造价太高,需要训练有素的职员,可能无法模拟出正常的环境.在各种便携式的装置中,那些有加速计的能够有效监测已知的各种身体活动[4-14].这些装置因体积小无伤害且价格便宜而吸引人.但不幸的是,其中许多无法“聪明”到能够测定受试者所进行的身体活动的种类(例如,上楼和平地行走).步数计一般不能灵敏地分辨步长,并且用于肥胖受试者时候的准确相对较低[15].震荡器和腕/踝装置能够通过“开”和“关”提供定性数据,但是他们记录大量数据的能力是有限的[14,16,17].足接触检测器和电子负载传感器在技术上还有问题并且有实际中的局限性.在文献中尚无报道他们能够准确测量身体活动的文章.身体活动和能量消耗智能测量仪(DEEATM,MiniSun.com有限责任公司),是一个以微型计算器为基础的便携式的身体活动测量仪,能够探测多种步态,肢体活动,和姿态(走路,跑步,上楼,下楼,站立,坐,举步,跳跃,躺,斜躺,过度动作,等等).它同时能够分析步态,走路速度,行走距离,所用功率,工作及能量消耗.IDEEA系统的监测准确性已经在早前的研究中得到论证[18,19].他们的验证协议中要求受试者完成一系列的舞蹈动作.这些动作的时间被记录然后和IDEEA作比较.研究发现IDEEA能够准确测量能量消耗,姿势,肢体运动以及走路和跑步的速度.最初的IDEEA,上面研究中所描述的,被改良后加了2个电板角度计来配合我们的研究各种康复协议和人造膝盖设计假定在实验室中测量到的膝盖弯曲反映了走动状态下膝盖的活动范围,但是根据我们了解,这种假设并没有被实验证实.尤其要指出的是.移植器官制造厂商现在生产的“高度弯曲”全膝盖设计有可能安全地容许膝盖弯曲到150°[20-22].但是并没有研究验证健康受试者在步态实验室之外执行这些运动范围.在这项研究中我们通过对比萨诸塞州中心医院生物活动实验室数据来研究论证改良后的IDEEA准确测量的身体活动和膝盖弯曲角度的有效性.BML通过在站立和运动活动中使用SELSPOT/TRACK采集数据系统得到人全身的动力学和运动学分析,其精度和正确性分别为位置1厘米.方向1°[23].我们假设:1)IDEEA记录得到的膝盖弯曲角度与BML采集到的数据相关;2)IDEEA能够在BML之外准备测量受试者的简短的舞蹈动作.验证改良后的IDEEA准确测量健康受试者身体活动的有效性更加巩固了早先的验证,另外此实验提供了在使用IDEEA测量门诊病人膝盖弯曲角度和身体活动的误差区域分界.这种能够在家里评估参数的能力在肌骨骼和神经系统紊乱患者身上有着巨大的潜在应用空间,研究材料和研究方法受试者本研究的便利取样包括3名男性和2名女性(平均年龄43.8+/-14.5年,体表指数24.1+/-2.9).一名骨科医生为受试者进行了详细病史检查和身体检查,以确保他们中没有骨科和神经时常患者.研究小组包括2名整形外科医生,一名经纪人和2名BML研究小组成员.这项研究由我们的机构审查委员会批准,受试者在了解实验情况后签下书面协议.使用仪器生物动力实验室(BML)系统使用一个SELSPOTⅡ4-相机光电发光二极管(LED)跟踪系统(选择性电子,Partille,瑞典)和两个侧电压测力平台(Kistler器械,温特图尔,瑞士).LED排列被放置在11个身体部分的分段处(脚,腿,骨盆,躯干.手臂和头部)以确整体参考,6个自由运动学(6DOF)抓获身体每一部分(图1.取样的LED定在150赫兹,然后用BUTTERWORTH过滤(第4次序.6赫兹,截断装置,拉力为零).LED排列轨道通过SUPERTRACK软件分析(马萨诸塞州中心医院,波士顿.MA)然后分解为三维立体图(3D)6DOF,身体内的部分运动学为2×2×2米观察量.受试者的解剖数将球形的6DOF运动学转化为6DOF身体部分运动学[24].体段质量,质量中心,质量瞬间惯性用受试者解剖学测量的回归方程式计算得出.体段角度和直线速度以及加速度通过计算由数字区分的体段位置数据得出,体段重要惯性数据在牛顿反转力学基础上由计算关节四周的彩色项毛圈得出.IDEEA系统身体活动和能量消耗智能测试仪能够识别肢体活动,姿势,过度动作和步态这样一系列的人类身体运动,并能够确定这些身体运动的种类,持续时间,活动强度,以及能量消耗.18种测量参数的平均/标准差用于计算左脚,右脚和双脚.此仪器包括5个传感器(每个大小16×14×4毫米)(图形2).传感器通过2个直角方向测量人体体段角度和加速度.一个传感器被放在离胸骨切口约2厘米处.一个传感器被放在脚趾骨下方,正面朝上.一个传感器被放在大腿与股骨的正前中间点处.低过敏胶带用于将传感器固定于皮肤上.每个传感器贴于适当的皮肤表面和符合人体纵轴部分.输出信号经由一个2毫米粗的电缆传到一个装在塑料盒里的33赫兹,32位ARM微处理器上.这个盒子重59克,由受试者戴于腰间.闪存容许记录日常生活状态下记录的数据即使在电力不足的情况下也不会丢失.仪器使用单节碱性电池,仪器工作过程中的用电量约为0.0045瓦特.应我们要求,膝电测角器(Penny+GilesTM生物测定学有限公司,英国)由MiniSun,LLC加入到IDEEA系统中.测角器用于测量膝盖弯曲角度,由MiniSun,LLC定标.测角器被置于每个膝盖的侧面,根据家饿剖学上的股骨和胫骨轴定位,用低过敏胶带固定于膝盖的皮肤表面,延长度为0°(由常规测角器测量).收集的数据通过USB接口和软件界面(由MiniSun,LLC提供,此软件同时分析传感器输出以及确定活动种类和其他变量)下载到个人计算机.除了电测角器以外,IDEEA能够连续运行48小时,储存大于32赫兹的6亿数据.改良后的IDEEA软件输出信息包括膝盖角弯曲角度,同时识别身体活动(走路,坐,站,跑,上下楼,斜躺,过度动作等等).以上数据以图表,表格以及动画形式展现.对于某一特别时间间隔,最小为32/1秒,IDEEA能计算不同动作所用时间.研究协议以为资深的研究小组成员向受试者提供改良后的IDEEA,另一位成员向受试者证实了正确的仪器佩戴位置.在收集数据前,受试者需要坐在椅子上进行定标,定标时臀部膝盖以及脚踝各成90º垂直.正确的电测角器位置再次由常规测角器确定.IDEE系统和BML之间的时钟和膝盖角度的微小时间差异在定标时较明显,在之后的数据分析中已经得到纠正.5个受试者的数据由BML和IDEEA同时收集.受试者每个动作做两遍,至少在收集数据前做一次实验动作.步态实验包括受试者以自选速度走一段10米走道.下楼包括受试者下一段无扶手的四步户外组合式楼梯台阶(18×28厘米).上下楼的实验由受试者以每分钟100下的节拍连续30秒上下一个梯高为7.5厘米的楼梯.为了模拟一个更加真实的临床情景,我们实施了第二项协议:要求受试者在BML测试环境外(无LED排列)间隔30秒演示一系列常见身体活动.这些身体活动包括:跑步,走路,坐,上楼,下楼,站,躺.这些活动所用的准确时间由研究小组成员记录,然后与IDEEA系统生成的数据相比较.在BML测试之后,受试者取下LED排列然后换上便装.受试者随后佩戴好IDEEA知晓活动指示,如平常一样起程.我们要求受试者佩戴IDEEA时候至少7小时,一直到24小时.我们准许受试者做锻炼,但是不准他们戴IDEEA洗澡或淋浴.受试者在BML之外的大部分数据是在工作过程中收集的.一个整形外科医生白天在手术室内戴IDEEA.另一个在门诊部给病人看病的时候戴IDEEA.BML的研究人员大部分时间在电脑上收集数据.一个房产经纪人运防地产客户来看居住区.实验数据分析实验数据在测试完受试者之后被处理分析.同一间隔时间BML和IDEEA数据用于分析三个具体运动活动(步态,跨步,并且台阶下降).Pearson相关系数用于比较BML和IDEEA记录的膝盖弯曲角度.我们检查在BML之外的舞蹈动作活动来比较报告中IDEEA已知的间隔时间.研究结果受试者使用了IDEEA(包括时间在测试在BML期间)的平均时间为17.4+/-9.7小时(范围,7.5-33小时).二个受试者在睡觉过程中隔夜佩带了仪器.图5总结所有受试者醒着的时候执行的各种各样的活动.受试者每个阶段的平均步数为8,441+/-4,785步(范围,4,369-14,715步).表1定量IDEEA系统记录每个受试者的整个数据收集期间各种各样的活动参量.BML和IDEEA系统膝盖弯曲角度之间的相关性:步态是.98+/-.01为,下楼98+/-.02为,举步落步为.97+/-.03(图6,7,8).在他们的数据收集期间,四5个受试者在收集数据过程中的任意时候屈曲膝盖120°.二