Tréninková platforma vyváženého dosahu pro řešení poruch rovnováhy u starších a neurologicky postižených veteránů (BATP)

Přehled: Tato studie obsahuje tři specifické cíle (SA): SA-1) Vývoj protokolu BRTP (Balanced Reach Training Protocol). SA-2) Posouzení účinnosti výcviku BRTP. SA-3) Hodnocení časového průběhu motorického učení BRTP.

Metody související se specifickým cílem 1: Vývoj BRTP SA-1.1: Vývoj modulu hodnocení BRTP. Vyšetřovatelé vyvinou BRTP tak, že poloha každé nohy a s ní související svislá reakční síla (používá se k detekci šlápnutí), měřená stávajícími měřicími systémy vyšetřovatelů, budou nepřetržitě přenášeny do pracovní stanice Real Time Computing Workstation a čteny experimentální kontrolou. program, který mu umožňuje tyto veličiny průběžně sledovat. Vyšetřovatelé dále začlení adaptivní schodišťový algoritmus do experimentálního řídicího programu v reálném čase, který na základě krokování určí pozici cílového disku odpovídající limitu rovnováhy (LoB) subjektu. Vyšetřovatelé stanoví LoB odpovídající sedmi směrům pohybu cílového disku, z nichž každý odpovídá určitému směru pohybu centra hmoty (CoM). Pohyb cíle bude naprogramován tak, aby se nepředvídatelně pohyboval v rámci malé kruhové oblasti se středem r a středovou osou splývající s jednou ze specifikovaných směrových čar. Subjekt poté sleduje cíl pomocí svého dominantního ukazováčku ruky. Algoritmus adaptivního schodiště postupně zvyšuje r, což způsobí, že se cíl vzdálí od objektu, dokud subjekt (v postroji na ochranu před pádem) nebude muset vykročit, aby se vyhnul ztrátě rovnováhy, v tomto bodě se r sníží o určitý přírůstek a proces se opakuje. Během tohoto úkolu bude subjekt instruován, aby raději šel, než aby omezil své sledovací pohyby, když se domnívá, že mu hrozí pád. Stupeň, do kterého se r zvyšuje a snižuje, závisí na předchozích krokových reakcích subjektu a je určen algoritmem adaptivního schodiště. Jak tento proces pokračuje, algoritmus vyvine odhad maximální pravděpodobnosti hodnoty r, která vyvolá krokování. Když tento odhad spadne do požadovaného intervalu spolehlivosti (zde 95 %), proces se ukončí; a LoB se vypočítá z přidružených měření polohy desky síly a segmentu těla. Posun disku v sedmi směrech bude subjektu prezentován v náhodném pořadí.

Sedm hodnot r určených algoritmem adaptivního schodiště se pak sníží o 5 % a přizpůsobí se jim elipsa. Disk bude naprogramován tak, aby se nepředvídatelně pohyboval po dobu 90 sekund podle stejné funkce součtu sinus, která byla použita dříve, v rámci pásma se středem na této elipse; a subjekty to budou sledovat. Tato trajektorie udrží subjekty na nebo blízko jejich LoB (a na hranicích jejich schopnosti rovnováhy) po celou dobu sledování. Stanovení LoB tímto způsobem eliminuje subjektivitu vlastní existujícím klinickým měřením LoB a také zohledňuje výše uvedenou nejistotu subjektů ve správném vnímání svého stavu rovnováhy a limitu rovnováhy. Vyšetřovatelé se domnívají, že tento přístup také přesněji simuluje skutečné životní podmínky, do kterých lidé spadají, a že LoB bude lepším měřítkem skutečných schopností jednotlivců udržovat rovnováhu. Kromě toho zpřístupňuje řadu dalších psychofyzických opatření a funkcí, pomocí nichž lze lépe pochopit a popsat roli, kterou hrají percepční a smyslové procesy při určování stavů nerovnováhy.

Modul Assessment zaznamená následující údaje pro charakterizaci výkonu v úloze sledování

1. Hodnoty r, a LoB odpovídající každému z nich (obr. 7A a 1);
2. Pohyb (poloha vs. čas) cílového disku;
3. Pohyb každého z 15 segmentů těla (tabulka 1) a špička sledovacího prstu (měřeno vyšetřovatelským systémem Vicon Motion Capture System);
4. Pozemní reakční síly, momenty a CoP pro každou nohu a pro obě nohy dohromady (duální Bertec silové desky); Položka 1 se shromažďuje během procedury adaptivního schodiště. Položky 2, 3 a 4 se shromažďují jak během postupu adaptivního schodiště, tak během následné úlohy sledování (stejně jako během tréninkových zápasů, viz SA-2.1). Všechna data budou uložena pro offline následné zpracování a analýzy.

SA-1.2: Vyviňte školicí modul BRTP. Jedno tréninkové sezení začíná administrací vyhodnocovacího modulu pro stanovení LoB subjektu a odpovídající celkové cílové amplitudy výchylky a na základě toho se vypočítá nepředvídatelná trajektorie cílového disku. Tréninkový modul pak představuje operátorem stanovený počet tréninkových zápasů; jeden z nich sestává z představení trajektorie, kterou má subjekt sledovat po dobu čtyř minut bez přešlapování, po které následuje tříminutová přestávka vsedě. Údaje o výkonu se zaznamenávají po celou dobu sledování. Trvání tréninkových zápasů a období odpočinku se může měnit (s cílem, aby tréninková lekce poskytla 60 minut skutečného tréninku), aby se optimalizovala účinnost tréninku a vyhovovaly potřebám a schopnostem jednotlivých subjektů. Subjekty budou při plnění úkolu sledování zapřaženy, aby se chránily před pádem. Jak trénink postupuje a výkonnost subjektu se zlepšuje, BRTP bude představovat stále obtížnější cílové trajektorie založené na zvýšených LoB a odpovídajících celkových amplitudách cílového vychýlení, jak je měřeno vyhodnocovacím modulem na začátku každého tréninku.

Metody související se specifickým cílem 2: Posouzení účinnosti školení BRTP SA-2.1: Proveďte tréninkové protokoly BRTP a MCET. Veškeré předmětové testování se provádí v tomto specifickém cíli. Vyšetřovatelé prozkoumají 90 starších mužů a žen s vysokým rizikem pádu, zapíší 80 z nich a dokončí školení pro 68, za předpokladu celkové míry opotřebení 25 %.

Subjekty budou náhodně zařazeny do tréninkové skupiny BRTP nebo MCET. Každá skupina dostane 60 minut tréninku třikrát týdně po dobu šesti týdnů. Trénink BRTP je popsán výše (viz SA-1.2). Tým VA Maryland vyvinul protokol MCET pro starší jedince s poruchou rovnováhy a pohyblivosti. Program je přizpůsoben kapacitě každého účastníka na základě jeho profilu rovnováhy a úrovně vytrvalosti. Během šesti týdnů trénink pokročí z pěti „základních“ cvičení, která jsou nezbytná pro instrumentální činnosti každodenního života, na 13 cvičení, protože účastníci splňují metriky pro bezpečnost cvičení a kvalitu pohybu. Standardizované progrese pro každé cvičení postupují podle úrovně požadované podpory kontaktu rukou, dávky (trvání, série a opakování), intenzity (amplitudy a kadence pohybu) a vícesegmentové motorické výzvy nebo složitosti. Kadence cvičení je upravena nahoru, aby byla větší výzvou pro aerobní kondici, a je upravena dolů, aby se usnadnil větší přínos odporového tréninku (tj. delší dřep) nebo přizpůsobení míře únavy účastníka. Školení MCET bude probíhat ve skupinovém prostředí.

Všechny subjekty budou hodnoceny pomocí opatření klinické rovnováhy (viz níže) a modulu hodnocení BRTP ve stejných časových bodech před, během a po tréninku (viz SA-2.2).

Výsledky: Následující „klinická měření“ rovnováhy, dosahu a rizika pádu se použijí k posouzení tréninkových efektů vyvolaných BRTP a MCET.

1. Test vícesměrného dosahu
2. Falls Efficacy Scale, která hodnotí FoF
3. Posouzení fyziologického profilu (PPA)
4. Test rovnováhy Tinetti (část Balance)
5. Test systémů pro vyhodnocení minivah (mini-BESTest)
6. Test DASH (Postižení paže, ramene a hlavy).

7. Pády, které každý subjekt zažil, stejně jako podmínky, ve kterých spadl, během a během prvního roku po školení.

   Tato opatření budou získána v den oddělený od postupů hodnocení a školení BRTP, aby nedošlo k nadměrné únavě testovaných osob. Vyšetřovatelé také použijí následující měření rovnováhy a dosahu založená na BRTP.

8. RMSE
9. RMSD-Primary Outcome Measure
10. Průměrná SoB
11. LoB RMSD bude primárním měřítkem výsledku vyšetřovatelů. SA-2.2: Posoudit efektivitu tréninku BRTP tréninku ve srovnání s MCET. Před školením subjekty podstoupí dvojité základní testy s odstupem 48 hodin za použití klinických opatření a opatření souvisejících s BRTP. Toto hodnocení se bude opakovat uprostřed tréninku (tři týdny po zahájení tréninku), bezprostředně po tréninku a šest týdnů po posledním tréninku (udržení). Ačkoli vyšetřovatelé zahrnují řadu klinických a BRTP souvisejících výkonnostních měřítek do hodnocení účinnosti tréninku, RMSD bude primárním výstupním měřítkem zkoušejících. Primárním účelem této studie je posoudit účinnost BRTP při zlepšování rovnováhy. Je možné, že zatímco BRTP i MCET zlepšují rovnováhu, velikost rozdílu ve zlepšení mezi skupinami může být malá. V důsledku relativně skromného počtu subjektů, které budou výzkumníci testovat (výsledek požadavků testování a omezených finančních prostředků dostupných na podporu testování), nemusí výzkumníci vykazovat žádné rozdíly mezi skupinami. Aby bylo možné prokázat, že každá intervence je účinná, vyšetřovatelé otestují subjekty dvakrát na začátku a porovnají změnu během tohoto období bez intervence odděleně se změnou vyvolanou každou aktivní intervencí. Ukázalo se, že klinická opatření výzkumníků související s rovnováhou korelují s rizikem pádu a strachem z pádu (FoF). Klinicky významná zlepšení ve výkonu tréninkové skupiny na základě klinických měření budou indikovat, že BRTP zlepšuje funkci rovnováhy a snižuje riziko pádu.

Vyšetřovatelé také požádají, aby subjekty hlásily všechny pády, které zažili během tréninkového období, a podmínky, za kterých upadly. Jakmile subjekty dokončí školení, vyšetřovatelé je budou měsíčně kontaktovat prostřednictvím e-mailu, sociálních médií nebo pomocí poštovních lístků s orazítkovanou zpáteční adresou, aby získali informace o pádu; a následovat telefonicky, aby se dozvěděli o podmínkách, za kterých padly.

Statistická analýza a očekávané výsledky: Vyšetřovatelé začnou s Exploratory Data Analysis navrženou k nalezení extrémních hodnot, které budou zkontrolovány, aby se ujistily, že v nich nejsou žádné chyby v přepisu. Vyšetřovatelé budou mít data v pěti časových bodech, výchozí linii 1 (B1), výchozí linii 2 (B2), střední trénink (MT), post-trénink (PT) a udržení šest týdnů po posledním tréninku (R). Vyšetřovatelé použijí opakovaná měření ANOVA (SAS proc mixed), ve kterých bude závislou proměnnou vnitřní změna z jednoho časového období na další, tzn. B2-B1, MT-B2, PT-MT, R-PT. Model bude upraven pro skupinu (BRTP, MCET); časové období (základní [B1 až B2], raný trénink [B2 až MT], pozdní trénink [MT-PT], celkový trénink (B2-PT], udržení [PT až R]) a časové období x skupinová interakce. Pokud vyšetřovatelé zjistí významný účinek období x skupiny, použijí vhodná post-hoc srovnání k určení časových bodů, které vykazují významné rozdíly. Výzkumníci použijí lineární kontrasty 1) k prokázání účinnosti BRTP a MCET porovnáním průměrné změny v obou skupinách během základní linie s průměrnou změnou v každé ze dvou skupin během tréninku; 2) porovnat účinnost BRTP s účinností MCET porovnáním změn v rámci skupiny během tréninku; a 3) porovnat schopnost těchto dvou intervencí vyvolat dlouhodobé zlepšení rovnováhy porovnáním procentuální změny během retence. Vyšetřovatelé použijí AICC, modifikaci Akaikeových informačních kritérií, aby určili kovarianční strukturu [např. nestrukturovaná, složená symetrie a autoregresní prvního řádu (AR(1)], která nejlépe odpovídá za sériovou autokorelaci opakovaných pozorování získaných od stejného subjektu.

Před přijetím výsledků z analýz vyšetřovatelé zajistí, že data odpovídají předpokladům analýz (např. normální rozložení zbytků) a že žádný údaj nemá nadměrný vliv nebo pákový efekt (např. Kuchařovo D). Vyšetřovatelé použijí vícenásobnou imputaci k imputaci následných dat pro subjekty, které chybí hodnoty. Každá primární hypotéza bude testována nezávisle na ostatních. Výzkumníci budou považovat dvoustranný test p<0,05 za indikující statistickou významnost. Vyšetřovatelé očekávají, že BRTP bude účinnější při zlepšování funkční rovnováhy než MCET a že toto zlepšení bude trvat šest týdnů po tréninku. Vyšetřovatelé dále očekávají, že zlepšení bude klinicky významné.

K porovnání četnosti pádů mezi tréninkovými skupinami BRTP a MCET použijí vyšetřovatelé Poissonovu regresi, ve které vyšetřovatelé použijí obecné odhadovací rovnice Lianga a Zeigera k zohlednění sériové autokorelace opakovaných měření od stejného subjektu.

Metody související se specifickým cílem 3: Hodnocení časového průběhu motorického učení BRTP.

SA-3.1: Zhodnoťte časový průběh motorického učení BRTP. Kromě srovnání celkové tréninkové účinnosti a udržení BRTP a MCET analýzy SA-2.2 také poskytnou hrubý profil časového průběhu celkového motorického učení každého tréninkového režimu. Tyto analýzy budou založeny na dříve specifikovaných klinických měřeních rovnováhy a měřeních založených na BRTP, získaných v pěti časových bodech před, během a po tréninku. Častější časové body nemohly být specifikovány, protože manuální hodnocení nezbytná k získání klinických měření pro tolik subjektů jsou příliš časově náročná na to, aby to umožnila.

Newell a kol. poznamenali, že pro dynamický systém, jako je lidský rovnovážný systém, jsou tréninkem vyvolané změny ve výkonnosti v průběhu času (tj. motorické učení) agregací změn výkonnosti prvků, které jej tvoří. Tyto elementární změny probíhají v kratších časových obdobích, než jsou intervaly měření specifikované výše. Hlubší zkoumání výkonu v BRTP v jemnějším časovém měřítku by nejen poskytlo podrobnější profil motorického učení, ale umožnilo by nám kvalitativně a kvantitativně charakterizovat některé z důležitějších základních změn výkonu, které řídí celkový profil učení – zejména ty změny spojené s procesy prediktivního a motorického plánování vyšší úrovně. Klinická měření nejsou pro tuto analýzu vhodná, i když by mohla být měřena častěji, protože neměří přímo výkon v BRTP. Měření založená na BRTP však ano a budou zaznamenávána s nezbytnou frekvencí. Data, ze kterých se vypočítávají SoB, RMSE a RMSD, budou automaticky průběžně zaznamenávána během každého tréninkového zápasu.

Tato analýza zahrnuje vývoj a interpretaci Input-Output Polynomial modelů a empirických přenosových funkcí popisujících sledování a vyvažování výkonu. Polynomiální model, který vyšetřovatelé použijí, je autoregresivní, klouzavý průměr, model exogenního vstupu (ARMAX), který má tvar A(q)y(ti)=B(q)u(ti-nk)+C(q) e(ti)1 Pro daný systém je časová řada y(ti) odezvou systému zaznamenanou v diskrétních časových okamžicích ti; u(ti-nk) je vstup do systému; a e představuje rezidua nezohledněná jinými členy v modelu. A, B a C jsou polynomiální funkce operátoru časového posunu q; a n je počet diskrétních časových kroků o délce ks, které představují zpoždění odezvy systému. Pro sledovací systém je y chyba sledování (pozice disku-pozice prstu) a u je pozice cílového disku. Pro vyvažovací systém je y SoB a u je poloha sledovacího prstu; protože SoB je řízen tak, aby podporoval úlohu sledování. Modely jsou konstruovány určením optimálního počtu členů v každé z polynomických funkcí A, B a C (obvykle 1-4) a hodnot konstantních koeficientů těchto členů, které vedou k nejlepšímu přizpůsobení datům. smysl pro minimalizaci součtu čtverců odchylek. Tento proces bude proveden pomocí MatLab's Systems Identification Toolbox.

Polynomiální modely oddělují základní dynamiku odezvy systému [danou vztahem A(q) y*(ti) = B(q)u(ti-nk)] od nevysvětlených odchylek od této odezvy [C(q)e(ti)], což nám umožňuje přesněji charakterizovat vztah mezi vstupy a výstupy systému a povahu odchylek. Odhaduje se také zpoždění odezvy. Struktura polynomiálních funkcí A(q) a B(q) modelu sledovací chyby (počet a velikosti jejich konstantních koeficientů) poskytuje kvalitativní i kvantitativní popis způsobu, jakým vyšší úroveň prediktivních a motorických plánovacích procesů využívá chybu sledování. a informace o pohybu disku pro řízení výkonu sledovacích prstů a minimalizaci chyb. vzhledem k tomu, že jediný koeficient by znamenal, že procesy na vyšší úrovni používají nižší řádovou reprezentaci chybového procesu nebo pohybu disku, obsahující pouze prostorové (polohové) informace; dva nebo více koeficientů by znamenalo bohatší reprezentaci, která také zahrnuje informace o rychlosti a zrychlení. Větší magnitudové koeficienty indikují, že jejich příslušné členy jsou využívány ve větší míře při provádění kontrolní úlohy. U modelu SoB je interpretace A(q) náročnější, protože tato funkce také popisuje mechaniku pohybu těla a segmentů těla. Interpretace B(q) však probíhá podobně jako u chyby sledování; i když zde vyšetřovatelé poznamenávají, že procesy na vyšší úrovni mají větší znalosti o pohybu sledovacího prstu než o pohybu cílového disku, protože tyto procesy řídí ten první. To by mohlo vést k větší nebo větší velikosti koeficientů B(q) a také ke snížení zpoždění odezvy vzhledem k modelu sledování prstů.

Diskrétní Fourierovy transformace (DFT) budou vypočítány pro pohyb disku a výsledné reakce sledovacího prstu a CoM celého těla. Z nich budou vypočteny empirické přenosové funkce vztahující se k pohybu cíle k těmto odezvám dělením DFT odezvy DFT pohybu disku, frekvence frekvencí. Zesílení magnitudy a fázová zpoždění získaná z empirických přenosových funkcí budou použity ke konstrukci Bodeova zisku a fázových grafů pro posouzení frekvenční odezvy a šířky pásma odezvy sledování a CoM. Bodeovy grafy poskytují míru toho, jak dobře je systém schopen reagovat na svůj vstup. Vynikající výkon je indikován větší šířkou pásma a ziskem a nižším fázovým zpožděním. Použití těchto metod k analýze rovnováhy je popsáno v.

Pro každý subjekt účastnící se BRTP budou konstruovány polynomiální modely a přenosové funkce. Protože motorické učení a výsledné změny ve výkonu probíhají nepřetržitě v průběhu každého tréninkového cyklu, budou polynomiální modely a přenosové funkce vypočítány pro 30sekundové okno (obsahující 3000 datových bodů), které postupuje přes každý zápas v 15sekundových intervalech. Vyšetřovatelé také vypočítají RMSE, průměrný SoB a RMSD pro každé okno. Čtyřminutový tréninkový zápas tak poskytne 15 "snímků" výkonu napříč zápasem. Velikost okna a interval posunu budou v případě potřeby upraveny tak, aby co nejlépe zachytily profil změn výkonu v průběhu času. Tyto modely, funkce a měřítka výkonnosti budou rovněž vytvořeny pro dvě základní hodnocení a hodnocení udržení provedené pomocí modulu hodnocení BRTP (viz Specifický cíl-1.1 v části Metody). Tyto modely, funkce a výkonnostní měřítka poskytnou podrobný popis způsobu, jakým se motorické učení (změny výkonu v BRTP) vyvíjí v průběhu tréninkového zápasu, vícezápasového tréninku, celého vícesekčního tréninku. režim a dobu uchovávání.

Jak trénink pokračuje, vyšetřovatelé očekávají, že chyba sledování (podle polynomiálního modelu) a RMSE se sníží a LoB (měřeno na začátku každého tréninku), SoB (podle polynomiálního modelu), průměrná SoB a RMSD se zvýší. Vyšetřovatelé dále očekávají, že počet a velikost koeficientů A(q) a B(q) každého polynomického modelu se zvýší. To naznačuje, že mozek vyvíjí bohatší a propracovanější mentální modely, pomocí kterých může kontrolovat jak sledování, tak vyvážení výkonu v úloze vyváženého dosahu. Vyšetřovatelé očekávají, že Bodeovy plány odhalí větší šířku pásma a zisk a nižší fázová zpoždění; což naznačuje, že sledovací a balanční systémy jsou schopny lépe zpracovávat své vstupy a reagovat na ně. Vyšetřovatelé očekávají zejména zlepšený vysokofrekvenční výkon, který se stárnutím zhoršuje. Tyto analýzy a hodnocení budou prováděny na základě jednotlivých předmětů, aby bylo zajištěno, že průměrování mezi jednotlivými subjekty nezakryje výkonnostní atributy, které se vyšetřovatelé snaží identifikovat. Pokud se však vyšetřovatelé setkají s dostatečně podobnou výkonností u skupiny subjektů, zkonstruují k jejímu popisu modely, funkce a míry výkonnosti skupinových průměrů. Konkrétním cílem těchto hodnocení je určit, zda a kdy se subjekty v průběhu jednotlivých tréninkových zápasů, jednotlivých tréninků nebo celkového tréninkového režimu ustálí. Tyto informace budou použity k určení optimální doby trvání každé z těchto tréninkových složek (doba trvání tréninkového zápasu, počet tréninkových zápasů na trénink, celkový počet tréninků).

SA-3.2: Posuďte korelace mezi přijatými klinickými měřeními rovnováhy a měřeními založenými na BRTP. Implementace BRTP nutně zahrnuje použití výkonnostních měřítek specifických pro vyvážený dosahový úkol, aby bylo možné jej přizpůsobit schopnostem jednotlivých subjektů (LoB) a měřit výsledný výkon (LoB, SoB a RMSD). Cílem tohoto dílčího cíle je posoudit míru korelace mezi změnami v těchto BRTP opatřeních a změnami v klinických měřeních, které výzkumníci používají k posouzení účinku BRTP na rovnováhu.

Statistická analýza a očekávané výsledky: Schopnost porovnat výkonnost v BRTP s klinickými měřeními rovnováhy je omezená kvůli různým měřítkům měření, na kterých se získávají data z BRTP a klinických měření. Míry BRTP (RMSD, průměrný SoB a LoB) se získají na poměrové stupnici. Některá klinická měření jsou také získána na poměrové stupnici, ale jiná jsou získána na ordinální stupnici. Vyšetřovatelé použijí Pearsonovu metodu k posouzení korelací mezi měřeními BRTP a klinickými měřeními získanými na poměrové škále; a Spearman's k posouzení korelací mezi měřeními BRTP a těmi klinickými měřeními získanými na ordinálním měřítku. Vyšetřovatelé očekávají, že měření BRTP budou korelovat s klinickými měřeními, ale budou se měnit "hladším" a kontinuálním způsobem a budou vykazovat větší rozsah a citlivost. Vyšetřovatelé očekávají, že tyto korelace budou statisticky významné, poskytující důkaz, že měření rovnováhy založená na BRTP mají klinickou platnost. Vzhledem k tomu, že se také ukázalo, že test multifunkčního dosahu, hodnocení fyziologického profilu, testy Tinetti Balance a škála účinnosti pádů korelují s rizikem pádu, statisticky významné korelace měření BRTP s těmito údaji poskytnou důkaz, že svědčí o riziku pádu. Konečně, statisticky významná korelace LoB s Falls Efficacy Scale poskytne důkaz, že LoB může sloužit jako kvantitativní měřítko FoF.