Uma plataforma de treinamento de alcance equilibrado para tratar distúrbios de equilíbrio em veteranos mais velhos e com deficiências neurológicas (BATP)

Visão Geral: Este estudo compreende três Objetivos Específicos (SAs): SA-1) Desenvolvimento do Protocolo de Treinamento de Alcance Balanceado (BRTP). SA-2) Avaliação da eficácia do treinamento do BRTP. SA-3) Avaliação do tempo de aprendizagem motora do BRTP.

Métodos Relacionados ao Objetivo Específico 1: Desenvolvimento da BRTP SA-1.1: Desenvolvimento do Módulo de Avaliação do BRTP. Os investigadores desenvolverão um BRTP de modo que a posição de cada pé e sua força de reação do solo vertical associada (usada para detectar passos), conforme medido pelos sistemas de medição existentes dos investigadores, sejam continuamente transmitidos para uma estação de trabalho de computação em tempo real e lidos pelo controle experimental programa, permitindo-lhe monitorizar continuamente estas quantidades. Em seguida, os investigadores incorporarão um algoritmo de escada adaptável ao programa de controle experimental em tempo real, que estabelecerá a posição do disco alvo correspondente ao Limite de Equilíbrio (LoB) do sujeito, com base no passo. Os investigadores estabelecerão LoB correspondente a sete direções de movimento do disco alvo, cada uma correspondendo a uma direção específica do movimento do centro de massa (CoM). O movimento do alvo será programado para se mover imprevisivelmente dentro de uma pequena região circular com o centro r e a linha central coincidindo com uma das linhas direcionais especificadas. O sujeito então rastreia o alvo usando o dedo indicador da mão dominante. O algoritmo de escada adaptável aumenta r ​​mentalmente, fazendo com que o alvo se afaste do sujeito até que o sujeito (usando um arnês para evitar quedas) deva dar um passo para evitar a perda de equilíbrio, ponto em que r é reduzido em algum incremento e o processo é repetido. Durante esta tarefa, o sujeito será instruído a pisar em vez de reduzir seus movimentos de rastreamento quando acreditar que corre o risco de cair. O grau em que r é aumentado e diminuído depende das respostas de passos anteriores do sujeito e é determinado pelo algoritmo de escada adaptável. À medida que esse processo continua, o algoritmo desenvolve uma estimativa de probabilidade máxima do valor de r que invoca o passo. Quando esta estimativa cai dentro do intervalo de confiança desejado (aqui 95%) o processo termina; e LoB é calculado a partir da plataforma de força associada e medições de posição do segmento corporal. O deslocamento do disco ao longo das sete direções será apresentado ao sujeito em ordem aleatória.

Os sete valores de r determinados pelo algoritmo de escada adaptável serão então reduzidos em 5% e uma elipse ajustada a eles. O disco será programado para se mover imprevisivelmente por 90 segundos de acordo com a mesma função de soma dos senos usada anteriormente, dentro de uma banda centrada nesta elipse; e os assuntos irão rastreá-lo. Essa trajetória manterá os sujeitos em ou perto de seu LoB (e nos limites de sua capacidade de equilíbrio) durante a tarefa de rastreamento. Estabelecer LoB dessa forma elimina a subjetividade inerente às medidas clínicas existentes de LoB e também leva em conta a incerteza acima mencionada dos sujeitos em perceber corretamente seu estado de equilíbrio e limite de equilíbrio. Os investigadores acreditam que esta abordagem também simula com mais precisão as condições da vida real sob as quais as pessoas se enquadram, e que o LoB será uma medida melhor das capacidades reais de equilíbrio dos indivíduos. Além disso, disponibiliza uma série de outras medidas e funções psicofísicas com as quais se pode compreender e descrever melhor o papel que os processos perceptivos e sensoriais desempenham na determinação de condições de desequilíbrio.

O Módulo de Avaliação registrará os seguintes dados para caracterizar o desempenho na tarefa de rastreamento

1. Os valores de r, e LoB correspondentes a cada um (Figs. 7A e 1);
2. O movimento (posição versus tempo) do disco de destino;
3. O movimento de cada um dos 15 segmentos do corpo (Tabela 1) e a ponta do dedo rastreador (medido pelo Vicon Motion Capture System dos investigadores);
4. Forças de reação do solo, momentos e CoP para cada pé e para ambos os pés combinados (placas de força Bertec duplas); O item 1 é coletado durante o procedimento de escada adaptativa. Os itens 2, 3 e 4 são coletados durante o procedimento de escada adaptativa e a tarefa de rastreamento subsequente (bem como as sessões de treinamento, consulte SA-2.1). Todos os dados serão salvos para processamento e análises pós-teste off-line.

SA-1.2: Desenvolver o Módulo de Treinamento do BRTP. Uma única sessão de treinamento começa administrando o Módulo de avaliação para estabelecer o LoB do sujeito e a amplitude de excursão geral correspondente, e calculando a trajetória imprevisível do disco alvo com base nisso. O Módulo de Treinamento então apresenta um número de sessões de treinamento especificado pelo operador; um único dos quais consiste em apresentar a trajetória para o sujeito percorrer por quatro minutos sem pisar, seguido de um período de repouso sentado de três minutos. Os dados de desempenho são registrados durante todo o período de rastreamento. As durações dos períodos de treinamento e descanso podem variar (com o objetivo de que uma sessão de treinamento forneça 60 minutos de treinamento real) para otimizar a eficácia do treinamento e acomodar as necessidades e capacidades individuais do sujeito. Os indivíduos serão amarrados durante a execução da tarefa de rastreamento para protegê-los contra quedas. À medida que o treinamento progride e o desempenho do sujeito melhora, o BRTP apresentará trajetórias-alvo cada vez mais difíceis com base no aumento de LoBs e amplitudes de excursão-alvo gerais correspondentes conforme medido pelo Módulo de avaliação no início de cada sessão de treinamento.

Métodos Relacionados ao Objetivo Específico 2: Avaliação da eficácia do treinamento do BRTP SA-2.1: Conduzir os protocolos de treinamento BRTP e MCET. Todos os testes de assunto são realizados neste Objetivo Específico. Os investigadores farão a triagem de 90 homens e mulheres mais velhos com alto risco de queda, inscrevendo 80 deles e completando o treinamento para 68, assumindo uma taxa geral de atrito de 25%.

Os indivíduos serão designados aleatoriamente para o grupo de treinamento BRTP ou MCET. Cada grupo receberá 60 minutos de treinamento três vezes por semana durante seis semanas. O treinamento BRTP é conforme descrito anteriormente (consulte SA-1.2). A equipe VA Maryland desenvolveu um protocolo MCET para indivíduos mais velhos com deficiência de equilíbrio e mobilidade. O programa é individualizado para a capacidade de cada participante com base em seu perfil de equilíbrio e nível de resistência. Ao longo das seis semanas, o treinamento avança de cinco exercícios "fundamentais" essenciais para as atividades instrumentais da vida diária para 13 exercícios, conforme os participantes atendem às métricas de segurança do exercício e qualidade do movimento. As progressões padronizadas para cada exercício avançam de acordo com o nível de suporte de contato manual necessário, dose (duração, séries e repetições), intensidade (amplitude e cadência do movimento) e desafio ou complexidade motora multissegmentar. A cadência do exercício é ajustada para oferecer maior desafio ao condicionamento aeróbico e é ajustada para baixo para facilitar um maior benefício do treinamento resistido (ou seja, segurando um agachamento por mais tempo) ou para acomodar o nível de fadiga do participante. O treinamento MCET será realizado em grupo.

Todos os indivíduos serão avaliados com as medidas de equilíbrio clínico (ver abaixo) e o Módulo de Avaliação BRTP nos mesmos pontos de tempo antes, durante e após o treinamento (ver SA-2.2).

Medidas de resultado: As seguintes "medidas clínicas" de equilíbrio, alcance e risco de queda serão usadas para avaliar os efeitos do treinamento induzidos pelo BRTP e MCET.

1. Teste de alcance multidirecional
2. Falls Efficacy Scale, que avalia o FoF
3. Avaliação do Perfil Fisiológico (APP)
4. Teste de Equilíbrio de Tinetti (Seção de Equilíbrio)
5. Teste de Sistemas de Avaliação de Mini Equilíbrio (Mini-BESTest)
6. Teste DASH (Deficiências do Braço, Ombro e Cabeça)

7. Quedas sofridas por cada sujeito, bem como as condições em que caíram, durante e ao longo do primeiro ano após o treinamento.

   Essas medidas serão obtidas em dia separado dos procedimentos de Avaliação e Treinamento BRTP para não fatigar indevidamente os sujeitos da prova. Os investigadores também empregarão as seguintes medidas de equilíbrio e alcance baseadas em BRTP.

8. RMSE
9. RMSD-Medida de Resultado Primário
10. SOB médio
11. LoB RMSD será a medida de resultado primário dos investigadores. SA-2.2: Avalie a eficácia do treinamento BRTP em comparação com o MCET. Antes do treinamento, os indivíduos serão submetidos a testes de linha de base dupla com 48 horas de intervalo, usando as medidas clínicas e as medidas relacionadas ao BRTP. Esta avaliação será repetida no meio do treinamento (três semanas após o início do treinamento), imediatamente após o treinamento e seis semanas após a última sessão de treinamento (retenção). Embora os investigadores incluam uma série de medidas de desempenho clínicas e relacionadas ao BRTP na avaliação da eficácia do treinamento, o RMSD será a principal medida de resultado dos investigadores. O objetivo principal deste estudo é avaliar a eficácia do BRTP na melhoria do equilíbrio. É possível que, embora tanto o BRTP quanto o MCET melhorem o equilíbrio, a magnitude da diferença na melhora entre os grupos possa ser pequena. Como consequência do número relativamente modesto de indivíduos que os investigadores estarão testando (resultado das demandas do teste e dos fundos limitados disponíveis para suportar o teste), os investigadores podem não mostrar nenhuma diferença entre os grupos. Para poder demonstrar que cada intervenção é eficaz, os investigadores testarão os indivíduos duas vezes na linha de base e compararão a mudança durante esse período sem intervenção separadamente com a mudança gerada por cada intervenção ativa. Foi demonstrado que as medidas clínicas relacionadas ao equilíbrio dos investigadores se correlacionam com o risco de queda e o medo de cair (FoF). Melhorias clinicamente significativas no desempenho do grupo de treinamento com base nas medidas clínicas indicarão que o BRTP melhora a função de equilíbrio e reduz o risco de queda.

Os investigadores também solicitarão que os participantes relatem quaisquer quedas que tenham sofrido durante o período de treinamento e as condições em que caíram. Depois que os participantes concluírem o treinamento, os investigadores os contatarão mensalmente por e-mail, mídia social ou usando cartões postais com endereço de retorno carimbado para obter informações sobre a queda; e seguir por telefone para saber das condições em que caíram.

Análise Estatística e Resultados Esperados: Os investigadores começarão com a Análise Exploratória de Dados projetada para encontrar valores extremos, que serão verificados para garantir que não haja erros de transcrição. Os investigadores terão dados em cinco momentos, linha de base 1 (B1), linha de base 2 (B2), meio do treinamento (MT), pós-treinamento (PT) e retenção seis semanas após a última sessão de treinamento (R). Os investigadores usarão ANOVA de medidas repetidas (SAS proc misto) em que a variável dependente será a mudança dentro da pessoa de um período de tempo para o outro, ou seja, B2-B1, MT-B2, PT-MT, R-PT. O modelo será ajustado por grupo (BRTP, MCET); período de tempo (linha de base [B1 a B2], treinamento inicial [B2 a MT], treinamento tardio [MT-PT], treinamento geral (B2-PT], retenção [PT a R]); e um período de tempo x interação do grupo. Se os investigadores encontrarem um período x efeito de grupo significativo, os investigadores usarão comparações post-hoc apropriadas para determinar os pontos de tempo que mostram diferenças significativas. Os investigadores usarão contrastes lineares 1) para demonstrar a eficácia do BRTP e MCET comparando a alteração média em ambos os grupos durante a linha de base com a alteração média dentro de cada um dos dois grupos durante o treinamento; 2) comparar a eficácia do BRTP com a do MCET comparando as mudanças dentro do grupo durante o treinamento; e 3) comparar a capacidade das duas intervenções de gerar uma melhora duradoura no equilíbrio, comparando a variação percentual durante a retenção. Os investigadores usarão AICC, uma modificação dos critérios de informação de Akaike, para determinar a estrutura de covariância [por exemplo, simetria composta não estruturada e auto-regressiva de primeira ordem (AR(1)) que melhor explica a autocorrelação serial de observações repetidas obtidas do mesmo sujeito.

Antes de aceitar os resultados das análises, os investigadores garantirão que os dados estejam de acordo com as suposições das análises (por exemplo, distribuição normal de resíduos) e que nenhum dado tenha influência ou alavancagem excessiva (por exemplo, Cook's D). Os investigadores usarão a imputação múltipla para imputar dados de acompanhamento para os valores ausentes dos sujeitos. Cada hipótese primária será testada independentemente das outras. Os investigadores considerarão um teste bicaudal p<0,05 como indicador de significância estatística. Os pesquisadores esperam que o BRTP seja mais eficaz em melhorar o equilíbrio funcional do que o MCET, e que essa melhora dure seis semanas após o treinamento. Os investigadores esperam ainda que a melhoria seja clinicamente significativa.

Para comparar as taxas de queda entre os grupos de treinamento BRTP e MCET, os investigadores usarão a regressão de Poisson, na qual os investigadores usarão as Equações de Estimativa Geral de Liang e Zeiger para contabilizar a autocorrelação serial de medidas repetidas do mesmo sujeito.

Métodos Relacionados ao Objetivo Específico 3: Avaliação do tempo de aprendizagem motora do BRTP.

SA-3.1: Avalie o tempo de aprendizagem motora do BRTP. Além de comparar a eficácia geral do treinamento e a retenção do BRTP e MCET, as análises do SA-2.2 também fornecerão um perfil grosseiro do curso de tempo de aprendizado motor geral de cada regime de treinamento. Essas análises serão baseadas nas medidas clínicas de equilíbrio previamente especificadas e nas medidas baseadas em BRTP, obtidas em cinco momentos antes, durante e após o treinamento. Pontos de tempo mais frequentes não puderam ser especificados porque as avaliações manuais necessárias para obter as medidas clínicas para tantos indivíduos são muito demoradas para permitir isso.

Newell, et.al. notaram que, para um sistema dinâmico como o sistema de equilíbrio humano, as mudanças induzidas pelo treinamento no desempenho ao longo do tempo (ou seja, aprendizado motor) são uma agregação das mudanças de desempenho dos elementos que o compõem. Essas mudanças elementares ocorrem em períodos de tempo mais curtos do que os intervalos de medição especificados acima. Uma investigação mais profunda do desempenho no BRTP em uma escala de tempo mais precisa não apenas forneceria um perfil de aprendizagem motora mais detalhado, mas nos permitiria caracterizar qualitativa e quantitativamente algumas das mudanças de desempenho elementares mais importantes que impulsionam o perfil geral de aprendizagem - particularmente aquelas alterações associadas aos processos preditivos e de planejamento motor de nível superior. As medidas clínicas não são apropriadas para essa análise, mesmo que pudessem ser medidas com mais frequência, pois não medem diretamente o desempenho no BRTP. As medidas baseadas em BRTP, no entanto, fazem e serão registradas com a frequência necessária. Os dados dos quais SoB, RMSE e RMSD são calculados serão automaticamente registrados continuamente ao longo de cada sessão de treinamento.

Esta análise envolve o desenvolvimento e interpretação de modelos polinomiais de entrada-saída e funções de transferência empíricas que descrevem o rastreamento e o desempenho do equilíbrio. O modelo polinomial que os investigadores empregarão é um modelo AutoRegressivo, Média Móvel, entrada eXógena (ARMAX), que assume a forma A(q)y(ti)=B(q)u(ti-nk)+C(q) e(ti)1 Para um dado sistema, a série temporal y(ti) é a resposta do sistema, registrada em instantes de tempo discretos ti; u(ti-nk) é a entrada do sistema; e e representa os resíduos não contabilizados pelos outros termos do modelo. A, B e C são funções polinomiais do operador de deslocamento de tempo q; e n é o número de intervalos de tempo discretos de duração k seg, representando o atraso de resposta do sistema. Para o sistema de rastreamento, y é o erro de rastreamento (posição do dedo do disco) e u é a posição do disco alvo. Para o sistema de equilíbrio, y é SoB e u é a posição do dedo de rastreamento; uma vez que o SoB é controlado para suportar a tarefa de rastreamento. Os modelos são construídos determinando o número ideal de termos em cada uma das funções polinomiais A, B e C (geralmente 1-4) e os valores dos coeficientes constantes desses termos que resultam no melhor ajuste aos dados, em o sentido de minimizar a soma dos desvios quadrados. Este processo será realizado usando a caixa de ferramentas de identificação de sistemas do MatLab.

Os modelos polinomiais separam a dinâmica de resposta subjacente de um sistema [dada por A(q) y*(ti) = B(q)u(ti-nk)] dos desvios inexplicáveis ​​dessa resposta [C(q)e(ti)], permitindo-nos caracterizar com mais precisão a relação entrada-saída do sistema e a natureza dos desvios. Os atrasos de resposta também são estimados. A estrutura das funções polinomiais A(q) e B(q) do modelo de erro de rastreamento (número e magnitudes de seus coeficientes constantes) fornece uma descrição qualitativa e quantitativa da maneira pela qual os processos preditivos e de planejamento motor de nível superior utilizam o erro de rastreamento e informações de movimento do disco para controlar o desempenho do dedo de rastreamento e minimizar os erros. Considerando que um único coeficiente implicaria que os processos de nível superior empregam uma representação de baixa ordem do processo de erro ou movimento do disco, contendo apenas informações espaciais (posição); dois ou mais coeficientes implicariam uma representação mais rica que também incorpora informações de velocidade e aceleração. Coeficientes de magnitude maiores indicam que seus respectivos termos são utilizados em maior grau na execução da tarefa de controle. Para o modelo SoB, a interpretação de A(q) é mais desafiadora porque essa função também descreve a mecânica do movimento do corpo e do segmento corporal. A interpretação de B(q), no entanto, procede de forma semelhante à do erro de rastreamento; embora aqui os investigadores observem que os processos de nível superior têm maior conhecimento do movimento do dedo rastreador do que o do disco de destino porque esses processos controlam o primeiro. Isso pode resultar em coeficientes B(q) de maior ou maior magnitude, bem como atrasos de resposta reduzidos em relação ao modelo de rastreamento de dedo.

Transformadas discretas de Fourier (DFTs) serão computadas para o movimento do disco e as respostas resultantes do dedo rastreador e CoM de corpo inteiro. A partir delas, funções de transferência empíricas relacionando o movimento do alvo a essas respostas serão calculadas dividindo-se a DFT da resposta pela DFT do movimento do disco, frequência por frequência. Ganhos de magnitude e defasagens de fase obtidos a partir das funções de transferência empíricas serão usados ​​para construir ganhos de Bode e gráficos de fase para avaliar a resposta de frequência e largura de banda das respostas de rastreamento e CoM. Os gráficos Bode fornecem uma medida de quão bem o sistema é capaz de responder à sua entrada. O desempenho superior é indicado por maior largura de banda e ganho e atrasos de fase mais baixos. O uso desses métodos para analisar o equilíbrio é descrito em.

Modelos polinomiais e funções de transferência serão construídos para cada sujeito participante do BRTP. Como o aprendizado motor e as mudanças resultantes no desempenho ocorrem continuamente ao longo de cada sessão de treinamento, modelos polinomiais e funções de transferência serão calculados para uma janela de 30 segundos (contendo 3.000 pontos de dados) que avança em cada sessão em intervalos de 15 segundos. Os investigadores também calcularão RMSE, SoB médio e RMSD para cada janela. Uma sessão de treinamento de quatro minutos fornecerá, portanto, 15 "instantâneos" de desempenho durante a sessão. O tamanho da janela e o intervalo de avanço serão ajustados, se necessário, para melhor capturar o perfil das mudanças de desempenho ao longo do tempo. Esses modelos, funções e medidas de desempenho também serão construídos para as duas avaliações de linha de base e a avaliação de retenção realizada usando o Módulo de Avaliação BRTP (ver Objetivo Específico-1.1 em Métodos). Esses modelos, funções e medidas de desempenho fornecerão um retrato detalhado da maneira pela qual o aprendizado motor (mudanças no desempenho no BRTP) evolui ao longo de uma sessão de treinamento, uma sessão de treinamento multi-sessão, todo o treinamento multi-sessão regime e o período de retenção.

À medida que o treinamento avança, os investigadores esperam que o erro de rastreamento (pelo modelo polinomial) e o RMSE diminuam, e que LoB (medido no início de cada sessão de treinamento), SoB (pelo modelo polinomial), SoB médio e RMSD aumentem. Os investigadores esperam ainda que o número e a magnitude dos coeficientes A(q) e B(q) de cada modelo polinomial aumentem. Isso indica que o cérebro está desenvolvendo modelos mentais mais ricos e elaborados para controlar o desempenho de rastreamento e equilíbrio na tarefa de alcance equilibrado. Os investigadores esperam que os gráficos de Bode revelem maior largura de banda e ganho e menores atrasos de fase; indicando que os sistemas de rastreamento e equilíbrio são mais capazes de processar suas entradas e responder a elas. Em particular, os investigadores esperam um melhor desempenho de alta frequência, que se deteriora com o envelhecimento. Essas análises e avaliações serão realizadas por indivíduo, a fim de garantir que a média entre os indivíduos não obscureça os atributos de desempenho que os investigadores procuram identificar. Se os investigadores encontrarem desempenho suficientemente semelhante em um grupo de sujeitos, no entanto, os investigadores construirão modelos de média de grupo, funções e medidas de desempenho para descrevê-lo. Um objetivo particular dessas avaliações é determinar se e quando os sujeitos "platam" durante o curso das sessões de treinamento individual, sessões de treinamento individual ou o regime geral de treinamento. Essas informações serão usadas para determinar as durações ideais de cada um desses componentes de treinamento (duração da sessão de treinamento, número de sessões de treinamento por sessão de treinamento, número total de sessões de treinamento).

SA-3.2: Avaliar correlações entre medidas clínicas aceitas de equilíbrio e medidas baseadas em BRTP. A implementação do BRTP envolve necessariamente o uso de medidas de desempenho específicas para a tarefa de alcance equilibrado, a fim de adaptá-la às capacidades individuais dos sujeitos (LoB) e medir o desempenho resultante (LoB, SoB e RMSD). O objetivo deste subobjetivo é avaliar o grau de correlação entre as mudanças nessas medidas de BRTP e as mudanças nas medidas clínicas que os investigadores estão usando para avaliar o efeito do BRTP no desempenho do equilíbrio.

Análise estatística e resultados esperados: A capacidade de comparar o desempenho no BRTP com o das medidas clínicas de equilíbrio é limitada devido às diferentes escalas de medição nas quais os dados do BRTP e das medidas clínicas são obtidos. As medidas de BRTP (RMSD, SoB médio e LoB) são obtidas em uma escala de proporção. Algumas medidas clínicas também são obtidas em uma escala de proporção, mas outras são obtidas em uma escala ordinal. Os investigadores usarão o Pearson para avaliar as correlações entre as medidas de BRTP e as medidas clínicas obtidas em uma escala de razão; e Spearman para avaliar as correlações entre as medidas BRTP e as medidas clínicas obtidas em uma escala ordinal. Os investigadores esperam que as medidas de BRTP se correlacionem com as medidas clínicas, mas variem de maneira "mais suave" e contínua, e exibam maior alcance e sensibilidade. Os investigadores esperam que essas correlações sejam estatisticamente significativas, fornecendo evidências de que as medidas de equilíbrio baseadas em BRTP têm validade clínica. Uma vez que o teste de Alcance Multifuncional, Avaliação do Perfil Fisiológico, testes de Equilíbrio de Tinetti e Escala de Eficácia de Quedas também mostraram correlação com o risco de queda, correlações estatisticamente significativas de medidas de BRTP com elas fornecerão evidências de que são indicativas de risco de queda. Finalmente, uma correlação estatisticamente significativa de LoB com a Falls Efficacy Scale fornecerá evidências de que LoB pode servir como uma medida quantitativa de FoF.