Wnioski i kluczowe ustalenia
- Standardowe kliniczne pomiary równowagi nie są czułe i responsywne.
- Akcelerometria oparta na smartfonie oferuje alternatywną, dostępną metodę pomiaru.
- Proponowana aplikacja Gait&Balance mierzy równowagę i czasowe parametry chodu.
- Te parametry smartfona korelują ze standardowymi danymi klinicznymi i kinematycznymi.
- Aplikacja Gait&Balance może być bardziej czuła niż pomiary kliniczne.
Streszczenie
Aplikacja Gait&Balance (G&B) pozwoliła na uzyskanie ważnych i wiarygodnych pomiarów chodu i równowagi u młodych, zdrowych osób dorosłych, ale nie była testowana u osób starszych. Badania miały odpowiedzieć na pytanie – czy u zdrowych osób dorosłych w średnim i starszym wieku pomiary za pomocą aplikacji G&B są wyczulone na wiek, wiarygodne względem pomiarów klinicznych i kinematycznych?
Wprowadzenie
Utrzymanie równowagi wymaga wysoce czułego ośrodkowego układu nerwowego zdolnego do szybkiej integracji informacji z układu wzrokowego i przedsionkowego, i/lub somatosensorycznego i przekształcania jej w działania motoryczne, które utrzymują równowagę ciała1. Zaburzenia równowagi zwykle pojawiają się w starszym wieku i w stanach klinicznych, takich jak: uszkodzenia przedsionków, udar i choroba Parkinsona. Zaburzenia równowagi wpływają na zdolność utrzymania pozycji pionowej podczas spoczynku i/lub podczas dynamicznych czynności chodu i mogą poważnie ograniczać mobilność i zwiększać ryzyko upadku2. Fizjoterapeuci oceniają równowagę za pomocą standardowych pomiarów klinicznych, jednak testy te są podatne na efekt limitu3,4; co oznacza, że nie są czułe na wykrywanie dysfunkcji równowagi związanych ze starzeniem się lub u osób z łagodnymi zaburzeniami równowagi5. Wiele standardowych testów klinicznych jest podatnych na stronniczość testerów, ponieważ wymagają one od fizjoterapeutów wykorzystania własnej oceny w celu sklasyfikowania zachowania równowagi w szerokich kategoriach6 i nie reagują na niewielkie zmiany w czasie4. Standardowa technologia do pomiaru równowagi, jak na przykład: platformy siłowe, przechwytywanie ruchu 3D, skomputeryzowana dynamiczna posturografia (ocena równowagi) i pomiar chodu na bieżni, mogą zapewnić bardziej czułe i responsywne pomiary równowagi7,8,9,10. Są one jednak drogie i rzadko dostępne w standardowej praktyce klinicznej.
Potencjalnym rozwiązaniem jest rozwój aplikacji mobilnych (ang. apps) mierzących równowagę na podstawie danych inercyjnych z akcelerometrów i żyroskopów wbudowanych w standardowe smartfony11,12,13,14. Nasz interdyscyplinarny zespół opracował aplikację na smartfony do oceny chodu i równowagi o nazwie Gait&Balance App (aplikacja G&B)15. Cecha, która odróżnia tę aplikację od innych, takich jak Sensor Kinetics Pro12, APP-Coo-Balance-Test13 oraz tych opracowanych na niestabilność stawu skokowego i udar mózgu, polega na włączeniu zadań, które zapewniają progresywne wyzwania dla równowagi zarówno w spoczynkowej postawie, jak i dynamicznym chodzie. Aplikacja G&B zawiera dobrze zdefiniowany protokół oceny, który można wykonać w ograniczonej przestrzeni kliniki. Do tej pory aplikacja G&B została zweryfikowana pod kątem zgodności ze złotym standardem pomiarów równowagi i chodu u młodych, zdrowych osób dorosłych15, ale nie była testowana u osób starszych ani porównywana z klinicznymi pomiarami równowagi. Ponieważ równowaga spada wraz z wiekiem, ocena wrażliwości aplikacji G&B na związane z wiekiem różnice w równowadze jest ważna dla ustalenia jej skuteczności jako narzędzia pomiarowego16. Dlatego w tym badaniu zbadano wiarygodność aplikacji G&B, określając jej wrażliwość na wiek, korelację z pomiarami równowagi klinicznej i korelację ze złotym standardem przechwytywania ruchu 3D u zdrowych osób dorosłych w średnim i starszym wieku. Zbadano również rzetelność testu-retest czyli testu ponownego.
Metoda
Projekt badania W tym przekrojowym badaniu uczestnicy wzięli udział w jednej sesji, podczas której oceniano ich równowagę i chód za pomocą aplikacji G&B, przechwytywania ruchu 3D i pomiarów klinicznych.
Uczestnicy Uczestnikami byli ludzie zdrowi, powyżej 40 roku życia. Aby upewnić się, że uczestnicy są zdrowi, zastosowano następujące kryteria wykluczające: uraz w ciągu ostatniego roku, uczucie niestabilności podczas stania lub chodzenia lub obawa przed upadkiem, pomoce do chodzenia, ograniczona zdolność utrzymywania równowagi i chodzenia po domu, stwierdzone zaburzenia przedsionkowe, schorzenia neurologiczne, upośledzenie ruchu, upośledzenie funkcji poznawczych, przebyte poważne operacje ortopedyczne kończyn dolnych w wywiadzie oraz ostra choroba.
Procedury Uczestnicy wykonali sześć wystandaryzowanych zadań bilansowych15 podczas gdy dane akcelerometryczne zostały zebrane za pomocą aplikacji G&B: pozycja stojąca, twarda powierzchnia, oczy otwarte i oczy zamknięte; stojąca, powierzchnia płaska elastyczna, oczy otwarte i oczy zamknięte; chodzenie patrząc prosto przed siebie; chodzenie z obracaniem głowy. W przypadku zadań stojących uczestnicy stali przez 30 sekund ze stopami rozstawionymi na szerokość bioder i ramionami wzdłuż boków17, a testy były przerywane, jeśli uczestnicy zrobili krok, otworzyli oczy lub potrzebowali pomocy fizycznej. Podatną powierzchnią była pianka o średniej gęstości.
Wyniki
Uczestnicy
W sumie 34 uczestników zostało włączonych i ukończyło badanie. Czy pomiary aplikacji Gait&Balance są wrażliwe na związane z wiekiem różnice w równowadze?
Najbardziej czułymi na wiek pomiarami przy użyciu aplikacji G&B były: wskaźnik okresowości podczas chodzenia patrząc prosto przed siebie oraz PS AP na podatnej powierzchni z otwartymi oczami, które miały odpowiednie korelacje. W przypadku pomiarów klinicznych istniały odpowiednie korelacje między wiekiem a całkowitym MBT, dynamicznym chodem MBT i FGA. Inne pomiary kliniczne wykazały korelacje z wiekiem, ale miały dolną granicę 95% CI w niewielkim zakresie.
Czy pomiary aplikacji Gait&Balance korelują z pomiarami klinicznymi?
Całkowity MBT, dynamiczny chód MBT i FGA korelowały z wiekiem i dlatego zostały uznane za ważne pomiary kliniczne.
Czy pomiary z aplikacji Gait&Balance App korelują z danymi kinematycznymi zgodnymi ze złotym standardem?
W przypadku zadań związanych z równowagą w spokojnej postawie, miary stabilności posturalnej aplikacji G&B App, a danymi kinematycznymi o złotym standardzie, charakteryzowały się doskonałą trafnością. W przypadku zadań związanych z chodzeniem miary prędkości chodu, długości kroku i czasu kroku w aplikacji G&B miały średnią lub doskonałą trafność, ale zmienność długości kroku, asymetria długości kroku, zmienność czasu kroku i asymetria czasu kroku miały słabą trafność.
Czy pomiary aplikacji Gait&Balance są wiarygodne?
W przypadku zadań związanych z utrzymaniem równowagi w spokojnej pozycji większość pomiarów stabilności posturalnej wykazała umiarkowaną niezawodność. W przypadku zadań związanych z chodzeniem parametry aplikacji G&B, takie jak: prędkość chodu, wskaźnik okresowości, długość kroku i czas kroku, charakteryzowały się wiarygodnością od umiarkowanej do doskonałej. Jednak wiarygodność miar długości kroku/zmienności kroku w czasie i asymetrii w aplikacji G&B była słaba, z wyjątkiem asymetrii długości kroku w zadaniu w jednym z zadań, która była umiarkowanie wiarygodna.
Dyskusja
To badanie pokazuje ważność i wiarygodność kilku parametrów chodu i równowagi pochodzących z aplikacji G&B u zdrowych osób dorosłych w średnim i starszym wieku.
Czy pomiary aplikacji Gait&Balance są wrażliwe na związane z wiekiem różnice w równowadze?
Miara PS AP G&B App na podatnej elastycznej powierzchni z otwartymi oczami była skorelowana z wiekiem, to znaczy prawie wszyscy uczestnicy uzyskali maksymalne wyniki podczas testów na twardych i podatnych powierzchniach z oczami otwartymi i zamkniętymi. Co ciekawe, gdy uczestnicy wykonywali te same zadania na stojąco za pomocą aplikacji G&B, aplikacja mogła rozróżniać młodszych i starszych uczestników; jest to obiecujące i sugeruje, że aplikacja G&B może wykrywać związane z wiekiem zmiany równowagi, których niektóre środki kliniczne nie są w stanie wykryć.
Miara wskaźnika okresowości G&B App korelowała z wiekiem. Miara ta obejmuje zmienność chodu, poprzez określenie spójności cykli chodu w czasie, oraz symetrię chodu, poprzez określenie zgodności pół-cykli chodu w obrębie całych cykli chodu21. Korelacja między wskaźnikiem okresowości a wiekiem jest zgodna z literaturą wykazującą związek między zwiększoną zmiennością chodu lub asymetrią chodu, a zaburzeniami równowagi2,28. Obiecujące jest to, że aplikacja G&B może wykrywać zmiany związane z wiekiem w tej mierze, co potwierdza wiarygodność aplikacji. Te ustalenia dotyczące wrażliwości sugerują również, że aplikacja G&B może reagować na niewielkie zmiany, które występują podczas rehabilitacji; powinno to zostać sprawdzone w przyszłych badaniach.
Czy pomiary aplikacji Gait&Balance korelują z pomiarami klinicznymi?
Potrzebne są dalsze badania, aby przetestować zbieżną ważność aplikacji G&B podczas równowagi w spoczynkowej postawie w populacjach klinicznych. Kilka parametrów aplikacji G&B z zadań związanych z chodzeniem zostało skorelowanych z pomiarami klinicznymi. Miary prędkości chodu aplikacji G&B (patrzenie prosto przed siebie i obracanie głowy) korelowały z całkowitym wynikiem FGA, ale nie z całkowitym wynikiem MBT. Ta korelacja jest zrozumiała, biorąc pod uwagę, że długość kroku maleje wraz z wiekiem i jest strategią stosowaną w celu zapobiegania upadkom2,30.
Czy pomiary aplikacji Gait&Balance są skorelowane ze złotymi standardami danych kinematycznych?
Podczas zadań równowagi w spoczynkowej pozycji pomiary stabilności posturalnej aplikacji G&B miały doskonałą trafność w porównaniu ze złotymi standardami danych kinematycznych ruchu 3D. Sugeruje to, że w przypadku pomiarów równowagi podczas spokojnej postawy aplikacja G&B może być tanią alternatywą dla przechwytywania ruchu 3D. Odkrycia te potwierdzają wcześniejsze ustalenia dotyczące trafności od dobrej do doskonałej dla pomiarów stabilności posturalnej aplikacji G&B w spokojnej pozycji u młodszych dorosłych15. Nieco wyższa trafność zgłoszona w próbie w średnim i starszym wieku może odnosić się do większej niestabilności w tej populacji, co mogło być łatwiej wykryte przez aplikację G&B, dając większą korelację ze złotym standardem.
Podczas zadań związanych z chodzeniem trafność parametrów aplikacji G&B w odniesieniu do danych kinematycznych była doskonała dla czasu kroku, a średnia do dobrej dla prędkości chodu i długości kroku. Obecnie lekarze nie mają dostępu do szybkich i dokładnych pomiarów czasu i długości kroku, dlatego aplikacja G&B oferuje nowe narzędzie do oceny tych parametrów. Może to być cenne w ocenie zmian chodu u osób starszych i osób zagrożonych upadkiem. Standardowa kliniczna miara prędkości chodu, test marszu na 10 m, ma doskonałą trafność w porównaniu z systemami przyrządowymi31, jednak jest mało prawdopodobne, aby sama prędkość chodu była wystarczająca do oceny równowagi dynamicznej32. Dzięki aplikacji G&B można ocenić prędkość chodu wraz z innymi ważnymi parametrami równowagi i chodu. Miary asymetrii/zmienności długości kroku oraz asymetrii/zmienności czasu kroku w aplikacji G&B miały słabą trafność w porównaniu z systemem ruchu 3D. Inne badania wykazały słabą zgodność między akcelerometrią tułowia a pomiarem na bieżni w pomiarach zmienności chodu i asymetrii u zdrowych młodych i starszych osób dorosłych23,33. Brak zgodności między dwoma systemami co do asymetrii i zmienności długości kroku/czasu kroku jest najprawdopodobniej przejawem zawodności tych miar.
Czy pomiary aplikacji Gait&Balance są wiarygodne?
Większość pomiarów stabilności postawy aplikacji G&B w spoczynkowej pozycji wykazała umiarkowaną rzetelność powtórnego testu, która była niższa niż wcześniej podana dla niezawodności aplikacji G&B u młodych dorosłych15, ale porównywalna z innymi badaniami akcelerometrycznymi w próbie w różnym wieku36. Miary prędkości chodu, długości kroku i czasu kroku w aplikacji G&B były bardziej wiarygodne podczas chodzenia z obrotami głowy niż podczas patrzenia prosto przed siebie. Może to odzwierciedlać ściślejsze ograniczenia kontroli nerwowo-mięśniowej wymaganej w trudniejszych warunkach równowagi37. Wiarygodność miar długości kroku / zmienności czasowej i asymetrii aplikacji G&B była ogólnie niska; jednak środki te miały również słabą niezawodność w przypadku systemu 3D o złotym standardzie. Niskie ICC zarówno dla systemów akcelerometrycznych, jak i systemów o złotym standardzie mogły wynikać z małej zmienności między uczestnikami w zdrowej próbie lub mogą odnosić się do stosowania krótkich cyklów marszu, w których parametry przestrzenno-czasowe mają mniej czasu na ustalenie38. Zmienność chodu między sesjami prawdopodobnie będzie bardziej wiarygodna39 i jest bardziej istotna w praktyce klinicznej, w której aplikacja G&B mogłaby być wykorzystywana do śledzenia zmian podczas rehabilitacji.
Ograniczenia w nauce
Pomimo prób rekrutacji równej liczby mężczyzn i kobiet, zapisało się mniej mężczyzn. MBT i FGA nie były losowe, co skutkowało efektem uczenia się, który mógł podnieść wyniki FGA. Badanie pokazuje skuteczność aplikacji G&B w grupie zdrowych osób w podeszłym wieku, dlatego też wyniki moga nie nadawać się do uogólnienia na osoby z poważniejszymi zaburzeniami równowagi.
Wniosek
W badaniu tym ustalono ważność i wiarygodność kilku parametrów chodu i równowagi mierzonych za pomocą aplikacji G&B. Analiza pod kątem wieku i środków klinicznych potwierdziła wiarygodność aplikacji G&B. Analiza w porównaniu ze złotymi standardami pomiarów dynamiki wykazała, że aplikacja G&B oferuje prawidłowe pomiary stabilności postawy, prędkości chodu, długości i czasu kroku. Miary stabilności posturalnej, prędkości chodu, wskaźnika okresowości, długości kroku i czasu kroku wykonane przez aplikację G&B miały rzetelność od umiarkowanej do doskonałej. Aplikacja G&B może być stosowana u osób starszych w celu wykrywania zaburzeń równowagi, których nie można wykryć za pomocą standardowych pomiarów klinicznych. Konieczne są dalsze badania w celu ustalenia, czy środki stosowane w smartfonach reagują na niewielkie zmiany zachodzące podczas rehabilitacji.
Żródło: (np.) Gait & Posture 100 (2023) 96-102
(C) 2023 The Authors
Adaptacja: Klaudia Gregorczyk
Na podstawie licencji CC BY
(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
- R.J. Peterka Sensory integration for human balance control Handb. Clin. Neurol., 159 (2018), pp. 27-42
- M.Y. Osoba, A.K. Rao, S.K. Agrawal, A.K. Lalwani Balance and gait in the elderly: a contemporary review Laryngoscope Invest. Otolaryngol., 4 (1) (2019), pp. 143-153
- J. Bernhardt, P. Ellis, S. Denisenko, K. Hill Changes in balance and locomotion measures during rehabilitation following stroke Physiother. Res. Int., 32 (2) (1998), pp. 109-122
- M. Godi, F. Franchignoni, M. Caligari, A. Giordano, A.M. Turcato, A. Nardone Comparison of reliability, validity, and responsiveness of the Mini BES Test and berg balance scale in patients with balance disorders Phys. Ther., 93 (2) (2013), pp. 158-167
- P.K. Pardasaney, N.K. Latham, A.M. Jette, R.C. Wagenaar, P. Ni, M.D. Slavin, et al. Sensitivity to change and responsiveness of four balance measures for community-dwelling older adults Phys. Ther., 92 (3) (2012), pp. 388-397
- M. Mancini, F.B. Horak The relevance of clinical balance assessment tools to differentiate balance deficits Eur. J. Phys. Rehabil. Med, 46 (2) (2010), pp. 239-248
- H. El-Kashlan, N. Shepard, A. Asher, M. Smith-Wheelock, S. Telian Evaluation of clinical measures of equilibrium Laryngoscope, 108 (3) (1998), pp. 311-319
- R. Sabchuk, P. Bento, A. Rodacki Comparison between field balance tests and force platform Rev. Bras. Med Esport., 18 (6) (2012), pp. 404-408
- L. Prosperini, C. Pozzilli The clinical relevance of force platform measures in multiple sclerosis: a review Mult. Scler. Int., 2013 (2013), Article 756564
- A.I. Perez-Sanpablo, J. Quinzanos-Fresnedo, R. Loera-Cruz, I. Quinones-Uriostegui, G. Rodriguez-Reyes, R. Perez-Zavala Validation of the instrumented evaluation of spatio-temporal gait parameters in patients with motor incomplete spinal cord injury Spinal Cord., 55 (7) (2017), pp. 699-704
- Y.L. Chiu, Y.J. Tsai, C.H. Lin, Y.R. Hou, W.H. Sung Evaluation of a smartphone-based assessment system in subjects with chronic ankle instability Comput. Methods Prog. Biomed., 139 (2017), pp. 191-195
- S. Han, D. Lee, S. Lee A study on the reliability of measuring dynamic balance ability using a smartphone J. Phys. Ther. Sci., 28 (2016), pp. 2515-2518
- G. Arcuria, C. Marcotulli, R. Amuso, G. Dattilo, C. Galasso, F. Pierelli, et al. Developing a smartphone application, triaxial accelerometer-based, to quantify static and dynamic balance deficits in patients with cerebellar ataxias J. Neurol., 267 (3) (2020), pp. 625-639
- Y.R. Hou, Y.L. Chiu, S.L. Chiang, H.Y. Chen, W.H. Sung Development of a smartphone-based balance assessment system for subjects with stroke Sensors, 20 (1) (2019) ]
- U. Rashid, D. Barbado, S. Olsen, G. Alder, J.L.L. Elvira, S. Lord, et al. Validity and reliability of a smartphone app for gait and balance assessment Sensors, 22 (1) (2021)
- L.E. Cofre Lizama, M. Pijnappels, G.H. Faber, P.N. Reeves, S.M. Verschueren, J.H. van Dieen Age effects on mediolateral balance control PLoS One, 9 (10) (2014), Article e110757
- Shumway-Cook, F.B. Horak Assessing the influence of sensory interaction on balance. suggestion from the field Phys. Ther., 66 (10) (1986), pp. 1548-1550
- D.M. Wrisley, S.L. Whitney The effect of foot position on the modified clinical test of sensory interaction and balance Arch. Phys. Med. Rehabil., 85 (2) (2004), pp. 335-338
- F. Franchignoni, F. Horak, M. Godi, A. Nardone, A. Giordano Using psychometric techniques to improve the balance evaluation systems test: the mini-BESTest J. Rehabil. Med., 42 (4) (2010), pp. 323-331
- D.M. Wrisley, G.F. Marchetti, D.K. Kuharsky, S.L. Whitney Reliability, internal consistency, and validity of data obtained with the functional gait assessment Phys. Ther., 84 (10) (2004), pp. 906-918
- W. Zhang, M. Smuck, C. Legault, M.A. Ith, A. Muaremi, K. Aminian Gait symmetry assessment with a low back 3D accelerometer in post-stroke patients Sensors, 18 (10) (2018)
- J.H. Kahn, A. Ohlendorf, A. Olsen, K.E. Gordon Reliability and validity of the functional gait assessment in incomplete spinal cord injury Top. Spinal Cord. Inj. Rehabil., 26 (4) (2020), pp. 268-274
- Godfrey, S. Del Din, G. Barry, J.C. Mathers, L. Rochester Instrumenting gait with an accelerometer: a system and algorithm examination Med Eng. Phys., 37 (2015), pp. 400-407
- L.G. Portney, M.P. Watkins Foundations of Clinical Research: Applications to Practice Pearson/Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ (2009)
- T.K. Koo, M.Y. Li A guideline of selecting and reporting intraclass correlation coefficients for reliability research J. Chiropr. Med, 15 (2016), pp. 155-163
- B. Munro Statistical Methods for Health Care Research, Vol. 1, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia (2005)
- R Core Team R: a language and environment for statistical computing, R foundation for statistical computing Vienna, Austria (2022)
- G. Yogev, M. Plotnik, C. Peretz, N. Giladi, J.M. Hausdorff Gait asymmetry in patients with Parkinson’s disease and elderly fallers: when does the bilateral coordination of gait require attention? Exp. Brain Res., 177 (3) (2007), pp. 336-346
- D.S. Peterson, C. VanLiew, S. Stuart, P. Carlson-Kuhta, F.B. Horak, M. Mancini Relating Parkinson freezing and balance domains: a structural equation modeling approach Park. Relat. Disord., 79 (2020), pp. 73-78
- D.D. Espy, F. Yang, T. Bhatt, Y.C. Pai Independent influence of gait speed and step length on stability and fall risk Gait Posture, 32 (3) (2010), pp. 378-382
- D.M. Peters, S.L. Fritz, D.E. Krotish Assessing the reliability and validity of a shorter walk test compared with the 10-Meter Walk Test for measurements of gait speed in healthy, older adults J. Geriatr. Phys. Ther., 36 (1) (2013), pp. 24-30
- S. Lord, B. Galna, L. Rochester Moving forward on gait measurement: toward a more refined approach Mov. Disord., 28 (11) (2013), pp. 1534-1543
- Hartmann, S. Luzi, K. Murer, R.A. de Bie, E.D. de Bruin Concurrent validity of a trunk tri-axial accelerometer system for gait analysis in older adults Gait Posture, 29 (3) (2009), pp. 444-448
- S. Del Din, A. Godfrey, L. Rochester Validation of an accelerometer to quantify a comprehensive battery of gait characteristics in healthy older adults and Parkinson’s disease: toward clinical and at home use IEEE J. Biomed. Health Inf., 20 (3) (2016), pp. 838-847
- Q. Zhao, B. Zhang, J. Wang, W. Feng, W. Jia, M. Sun Improved method of step length estimation based on inverted pendulum model Int J. Distrib. Sens Netw., 13 (4) (2017)
- S.L. Whitney, J.L. Roche, G.F. Marchetti, C.C. Lin, D.P. Steed, G.R. Furman, et al. A comparison of accelerometry and center of pressure measures during computerized dynamic posturography: a measure of balance Gait Posture, 33 (4) (2011), pp. 594-599
- H. Lee, K.P. Granata Process stationarity and reliability of trunk postural stability Clin. Biomech. (Bristol, Avon), 23 (6) (2008), pp. 735-742
- K.L. Paterson, N.D. Lythgo, K.D. Hill Gait variability in younger and older adult women is altered by overground walking protocol Age Ageing, 38 (6) (2009), pp. 745-748 View PDF
- S. Lord, T. Howe, J. Greenland, L. Simpson, L. Rochester Gait variability in older adults: a structured review of testing protocol and clinimetric properties Gait Posture, 34 (4) (2011), pp. 443-450