DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94167-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40108428
تاريخ النشر: 2025-03-19
المؤلف: Yiou Sun وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
تتناول الدراسة ضعف المشي لدى الناجين من السكتة الدماغية، مع التأكيد على الحاجة إلى استراتيجيات إعادة تأهيل فعالة لاستعادة وظيفة المشي. تستكشف استخدام وحدات القياس القابلة للارتداء (IMUs) لتقييم المشي بشكل موضوعي، مع تسليط الضوء على ضرورة وضع المستشعرات بشكل مثالي لتعزيز دقة التقييم مع تقليل عدد المستشعرات المستخدمة. شملت الأبحاث 16 مريضًا بالسكتة الدماغية واستخدمت الانحدار التدريجي لتحديد الميزات الحركية الأكثر ارتباطًا بجزء الأطراف السفلية من تقييم فوجل-ماير.
تشير النتائج إلى أن مجموعة مختصرة من ميزات المشي لا تؤثر بشكل كبير على دقة تقييم السكتة الدماغية. ومن الجدير بالذكر أن أهم معلمات المشي تم اشتقاقها من المستشعرات الموضوعة عند الورك والفخذين الثنائيين. حقق تكوين المستشعرات الثلاثة المقترح دقة تنبؤية عالية، مع $R^2$ معدل قدره 0.999، ومتوسط خطأ مطلق (MAE) قدره 0.07، وخطأ جذر متوسط المربعات (RMSE) قدره 0.08. علاوة على ذلك، أدى تقريب درجات فوجل-ماير للأطراف السفلية المتوقعة إلى أقرب عدد صحيح إلى عدم وجود خطأ في التنبؤ. تشير هذه النتائج إلى أن التقييمات المعتمدة على IMU يمكن أن تكون أداة قيمة لكل من التقييمات السريرية وإعادة التأهيل المنزلي للمرضى الذين تعرضوا للسكتة الدماغية، مما قد يحسن إدارة ضعف المشي المرتبط بالسكتة الدماغية.
الطرق
في هذه الدراسة، شمل التصميم التجريبي نهجًا منهجيًا لتقييم التعافي الوظيفي للمرضى الذين تعرضوا للسكتة الدماغية. قبل التجارب، تم إطلاع المشاركين بشكل شامل على أهداف الدراسة وتم الحصول على موافقتهم المستنيرة. قام طبيب محترف بإجراء تقييم فوجل-ماير (FMA) لتقييم القدرات الوظيفية لكل مريض. بعد هذا التقييم، قام المشاركون بأداء اختبار المشي لمسافة 10 أمتار على أرض مستوية، باستخدام نظام التقاط الحركة المعتمد على وحدة القياس القابلة للارتداء (IMU) لجمع بيانات المشي. أكمل كل مشارك خمسة تجارب من اختبار المشي، مع فترات راحة كافية بين التجارب لضمان الأداء الدقيق.
تعد تقييم فوجل-ماير أداة سريرية شاملة تقيم التعافي في كل من الأطراف العلوية والسفلية، وتتكون من خمس فئات: الوظيفة الحركية، الوظيفة الحسية، التوازن، نطاق حركة المفاصل، وألم المفاصل. تتضمن كل فئة عدة عناصر يتم تقييمها على مقياس من ثلاث نقاط (0 = غير قادر على الأداء، 1 = قادر جزئيًا على الأداء، 2 = قادر تمامًا على الأداء). ومن الجدير بالذكر أن درجة الأطراف السفلية في المكون الحركي تقيم الحركات الحرجة والتنسيق، مع درجة قصوى تبلغ 34 نقطة. وقد أثبتت الدراسات السابقة التي أجراها كيم وآخرون وكراو وآخرون موثوقية قوية بين المقيمين وتناسق تقييم FMA، مما يجعلها إطارًا موثوقًا لمراقبة تقدم إعادة التأهيل لدى مرضى السكتة الدماغية في كل من الإعدادات السريرية والبحثية.
النتائج
تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على فعالية استخدام وحدات القياس القابلة للارتداء (IMUs) لتقييم كينماتيكا المشي بشكل كمي لدى مرضى السكتة الدماغية. من خلال استخدام الانحدار التدريجي لاختيار الميزات عبر 28 مجموعة من المستشعرات، حددت الأبحاث الميزات المثلى من المستشعرات الموضوعة عند الورك والفخذين الثنائيين. أظهرت هذه الميزات ارتباطًا قويًا مع التقييمات السريرية، وبشكل خاص القسم الخاص بالأطراف السفلية من تقييم فوجل-ماير.
من المهم أن تظهر الدراسة أن تقليل عدد المستشعرات لا يؤثر على دقة تقييمات السكتة الدماغية. يُقترح تكوين المستشعرات الثلاثة (الورك والفخذين الثنائيين) كحل فعال لتقييم المشي بدقة في كل من السياقات السريرية وإعادة التأهيل المنزلي. تُظهر طريقة التقييم المعتمدة على IMU دقة عالية في التقييمات السريرية وتُعتبر أداة مكملة واعدة لإعادة تأهيل مرضى السكتة الدماغية. مع التقدم في تكنولوجيا المستشعرات، من المتوقع أن يتوسع هذا النهج الكمي في تطبيقاته في تقييمات المشي.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على أهمية اختيار الميزات وتحسين وضع المستشعرات في تقييم معلمات المشي لمرضى السكتة الدماغية. تشمل الميزات الرئيسية للمشي التي تم تحديدها من خلال الانحدار التدريجي سرعات الزاوية والكوارتنيونات من المستشعرات الموجودة عند الورك والفخذين الثنائيين، والتي تم اختيارها عدة مرات، مما يدل على أهميتها في عكس ظروف السكتة الدماغية بدقة. وجدت الدراسة أنه بينما أظهرت المجموعة الأولى نتائج ملائمة مثالية، إلا أنها عانت من تداخل عالٍ، مما أدى إلى استبعادها كمجموعة مستشعرات مثالية. بالمقابل، أظهرت المجموعات V و VI و X أداءً تنبؤيًا ممتازًا مع قيم $R^2$ المعدلة قريبة من 1 وخطأ مطلق متوسط (MAE) منخفض وخطأ جذر متوسط المربعات (RMSE) منخفض، مما يشير إلى تكوينات مستشعرات فعالة.
تسلط الأبحاث الضوء أيضًا على إمكانية إعداد المستشعرات الثلاثة (الورك والفخذين الثنائيين) في تحقيق دقة عالية مع الحد الأدنى من المعدات، مما يجعلها عملية للتقييمات السريرية وإعادة التأهيل المنزلي. من خلال استخدام وحدات القياس القابلة للارتداء (IMUs) لتحليل المشي، تعالج الدراسة التحديات المتعلقة بموضوعية وكفاءة التقييمات التقليدية. تدعو النتائج إلى نهج مبسط لإعادة التأهيل، يجمع بين اختيار الميزات وتحليل الانحدار لتعزيز فهم العجز الحركي لدى مرضى السكتة الدماغية، مما يدعم في النهاية تطوير استراتيجيات إعادة تأهيل مستهدفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94167-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40108428
Publication Date: 2025-03-19
Author(s): Yiou Sun et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
The study addresses gait impairment in stroke survivors, emphasizing the need for effective rehabilitation strategies to restore walking function. It explores the use of wearable inertial measurement units (IMUs) for objective gait assessment, highlighting the necessity of optimal sensor placement to enhance assessment accuracy while minimizing the number of sensors used. The research involved 16 stroke patients and utilized stepwise regression to identify kinematic features most correlated with the lower limb portion of the Fugl-Meyer assessment.
The findings indicate that a reduced set of gait features does not significantly compromise stroke assessment accuracy. Notably, the most relevant gait parameters were derived from sensors positioned at the hip and bilateral thighs. The proposed three-sensor configuration achieved high predictive accuracy, with an adjusted $R^2 = 0.999$, mean absolute error (MAE) of 0.07, and root mean square error (RMSE) of 0.08. Furthermore, rounding the predicted lower limb Fugl-Meyer scores to the nearest integer resulted in zero prediction error. These results suggest that IMU-based assessments can serve as a valuable tool for both clinical evaluations and home rehabilitation of stroke patients, potentially improving the management of gait impairments associated with stroke.
Methods
In this study, the experimental design involved a systematic approach to assess the functional recovery of stroke patients. Prior to the experiments, participants were thoroughly briefed on the study’s objectives and provided informed consent. A professional clinician conducted the Fugl-Meyer Assessment (FMA) to evaluate each patient’s functional capabilities. Following this assessment, participants performed a 10-meter walking test on level ground, utilizing a wearable inertial measurement unit (IMU)-based motion capture system to collect gait data. Each participant completed five trials of the walking test, with sufficient rest intervals between trials to ensure accurate performance.
The Fugl-Meyer Assessment is a comprehensive clinical tool that evaluates recovery in both upper and lower extremities, consisting of five categories: motor function, sensory function, balance, joint range of motion, and joint pain. Each category includes multiple items rated on a three-point scale (0 = unable to perform, 1 = partially able to perform, 2 = fully able to perform). Notably, the motor component’s lower extremity score assesses critical movements and coordination, with a maximum score of 34 points. Previous studies by Kim et al. and Crow et al. have validated the FMA’s strong inter-rater reliability and consistency, establishing it as a trusted framework for monitoring rehabilitation progress in stroke patients in both clinical and research settings.
Results
The results of this study highlight the effectiveness of using wearable inertial measurement units (IMUs) for the quantitative assessment of gait kinematics in stroke patients. By employing stepwise regression for feature selection across 28 sensor groupings, the research identified optimal features from sensors placed at the hip and bilateral thighs. These features exhibited a strong correlation with clinical assessments, specifically the lower limb section of the Fugl-Meyer Assessment.
Importantly, the study demonstrates that reducing the number of sensors does not compromise the accuracy of stroke assessments. A three-sensor configuration (hip and bilateral thighs) is proposed as an effective solution for precise gait evaluation in both clinical and home rehabilitation contexts. The IMU-based assessment method shows high accuracy in clinical evaluations and is positioned as a promising complementary tool for stroke patient rehabilitation. With advancements in sensor technology, this quantitative approach is anticipated to expand its applications in gait assessments.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significance of feature selection and sensor placement optimization in assessing gait parameters for stroke patients. Key gait features identified through stepwise regression include angular velocities and quaternions from sensors located at the hip and bilateral thighs, which were selected multiple times, indicating their relevance in accurately reflecting stroke conditions. The study found that while Group I exhibited perfect fitting results, it suffered from high collinearity, leading to its exclusion as an optimal sensor group. In contrast, Groups V, VI, and X demonstrated excellent predictive performance with adjusted $R^2$ values close to 1 and low mean absolute error (MAE) and root mean square error (RMSE), suggesting effective sensor configurations.
The research also highlights the potential of a three-sensor setup (hip and bilateral thighs) in achieving high accuracy with minimal equipment, making it practical for clinical assessments and home rehabilitation. By utilizing wearable inertial measurement units (IMUs) for gait analysis, the study addresses challenges related to the objectivity and efficiency of traditional assessments. The findings advocate for a streamlined approach to rehabilitation, combining feature selection and regression analysis to enhance the understanding of motor impairments in stroke patients, ultimately supporting the development of targeted rehabilitation strategies.