智能手机测量站立平衡的新方法gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

平衡被定义为身体保持稳定的能力，以最小的摇摆和重心在支撑的基础上[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。平衡被定义为身体通过整合前庭、体感、视觉和肌肉骨骼系统的活动而不跌倒的能力[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba]。提高站立平衡能力已成为康复治疗的重要组成部分，作为下肢损伤的预防和修复，在运动医学领域受到了广泛关注。平衡训练被用来预防伤害，提高表现，以及从运动和身体活动相关的伤害中康复[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。然而，在临床医生、研究人员和患者如何测量站立平衡方面，几乎没有一致性[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

在运动医学中评估站立平衡的一种常用方法是平衡误差评分系统(BESS)。BESS显示了评分者之间的信度，从差到好，这取决于评估者是如何被训练来给BESS评分的[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]，以及检测微妙平衡差异的有效性较差[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。为了提高信度和效度，研究中采用了力板测量站立平衡[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。测力板不依赖临床评分，重测信度高[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。然而，力板通常是昂贵的，而且大多数临床医生和患者无法获得[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

作为一种成本效益高且更容易获得的替代方案，加速度计用于测量运动员和非运动员的站立平衡[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。加速度计可以戴在身上以量化人体运动[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba通过测量x、y和z轴的运动。与测力板相比，穿戴式加速度计已经证明了并发有效性和高重测可靠性[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。一些研究人员认为，由于其便携性、低成本以及在自然和临床环境中量化人体运动的能力，加速度计在量化站立平衡方面优于力板[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

鉴于患者对当前平衡措施的可及性和理解程度较差，这些措施被接受平衡受损治疗的个体所忽视也就不足为奇了。此外，文献指出患者对康复训练的依从性较差[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。也许增加患者对正在测量的内容的理解以及他们跟踪自己进展的能力将部分解决依从性问题。随着技术的进步，加速计等设备变得越来越便宜，也越来越普及。事实上，每个智能手机都有一个加速度计。因此，作者设计了一个手机应用程序，缅甸，利用内置的加速度计来量化站立平衡。gydF4y2Ba

当前研究的目的是:(1)确定应用程序是否可以区分在坚硬或泡沫表面上进行不同难度的平衡练习;(2)比较手机的不同身体位置及其对站立平衡测量的影响;(3)评估缅甸应用程序的有效性，由专家临床评分者评分。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

该研究方案得到了多伦多大学研究伦理办公室的批准。参与者是通过在一所大学的体育设施和运动医学诊所张贴的海报，通过口头征求对大学代表队感兴趣的参与者，然后通过滚雪球抽样的方式招募的。gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

这项研究招募了50名参与者。两名参与者因害怕受伤而主动停止了测试;最终，48名参与者完成了完整的测试方案。报告的结果反映了完成完整方案的48名参与者。所有参与者年龄在18-30岁之间(平均22岁;SD = 2.5年)。21名男性和27名女性分别在8种不同的左右下肢平衡条件下使用缅甸应用程序进行了测试(gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

所有参与者在测试时均无踝关节、髋关节、膝关节和下背部损伤，并且根据自我报告在测试前至少1个月没有任何损伤。纳入分析的参与者的人口统计数据总结于gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。在测试前获得所有参与者的知情同意。gydF4y2Ba

练习gydF4y2Ba

选择了8种平衡练习，代表了练习难度的等级，包括坚硬的或泡沫状的表面，以及参与者睁开或闭上眼睛(gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba)。运动选择是基于对文献的回顾和我们对8名受试者进行的初步研究gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

运动困难的临床评估gydF4y2Ba

为了获得8种平衡练习的临床排名，8名临床医生(3名物理治疗师和5名运动治疗师)被要求将这些练习从最容易到最难进行排名。临床医生对研究结果不知情，他们在运动医学环境中平均有12年的临床工作经验。每位临床医生都被提供了一整页的每种平衡状态的图片以及测试中使用的泡沫表面，并被要求根据他们的临床经验对练习进行排名。gydF4y2Ba

测试协议gydF4y2Ba

所有测试均由主要作者完成。研究人员使用市售的可牢尼龙搭扣手机臂带(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。额外的魔术贴被缝在臂章上，以延长周长，这样它就可以容纳手机被绑在膝盖以上和肚脐周围。gydF4y2Ba

没有参与者事先知道测试方案，每个人在每次平衡练习之前都有口头指导。在所有“睁开眼睛”的情况下，参与者被指示盯着距离参与者437厘米的墙上的一个黑色“X”。参与者在测试的开始阶段是平衡的。平衡练习之间的休息时间和左右腿之间的休息时间分别为30秒和3分钟。gydF4y2Ba

‎gydF4y2Ba 查看此图gydF4y2Ba

加速度计gydF4y2Ba

LG Optimus One (P500h)采用谷歌移动平台Android 2.2(也被称为Froyo)，用于所有测试。这款手机重129克，长113.5毫米，宽59毫米，深13.3毫米。手机加速度计是三轴的，测量x、y和z轴上的加速度。加速度计的采样率为14-15赫兹，这是硬件限制的结果。因此，在3个轴上的每个轴上，每次练习都收集了420-450个原始测量值。gydF4y2Ba

校准加速度计gydF4y2Ba

在研究开始时，这三款手机中的每一款都进行了一次校准。校准的目的是调整加速度计的任何静态偏差。静态偏置是当手机不移动时加速度计读数的不准确性。加速度计测量所有3个轴(即x+， x -， y+， y -， z+， z -)的正方向和负方向。静态偏置不同程度地独立影响6个方向。每部手机使用以下程序进行校准:gydF4y2Ba

1. 手机被放置在一个稳定、水平的表面上，这样其中一个轴是垂直的。gydF4y2Ba
2. 加速度计的测量记录了30秒。gydF4y2Ba
3. 步骤1和步骤2在所有6个方向重复(即手机的每一边)。gydF4y2Ba

通过除以重力加速度(9.81 m/s)得到每个手机每个方向的修正系数(C)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)，取给定轴平面上所有样本的平均值，正负均取。例如，x+方向上所有样本的均值为9.95，则Cx+ = 9.81 / 9.95 = 0.986。每部手机共得到6个修正因子。给定手机的特定校正因子应用于该手机为每次执行的练习收集的420-450个原始测量值中的每一个。gydF4y2Ba

平均R计算gydF4y2Ba

每个加速度计测量包括3个值，每个轴(即x、y和z)各1个值。首先使用上述校正因子对这些值进行静态偏差校正。例如，如果测量的原始x轴值(x_raw)为正，则修正值(x_corr)将为x_corr = x_raw × Cx+。同样，如果值为负，则x_corr = x_raw × Cx−。一旦校正值被应用，结果向量(R)的大小被计算为每420-450测量的平方根(x_corr)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba+ y_corrgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba+ z_corrgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)。度规平均R是420-450合成向量的平均大小。然后使用平均R变量作为所有后续分析的平衡指标。使用Perl脚本来校准、校正和计算所有的平均R值。gydF4y2Ba

统计分析gydF4y2Ba

为了评估临床医生对运动困难评分的一致性，对评分对的每个组合进行两两加权kappa统计。此外，在每个临床评分者和加速度计装置之间计算两两kappa统计，提供装置有效性的测量。gydF4y2Ba

在随后的所有统计分析中均使用上述计算得到的R均值变量。最初对观测值的分布进行了评估。在非高斯分布的情况下，利用各种数据变换并对其进行表征。重复测量方差分析(ANOVA)采用3个受试者内变量(如运动状况、腿部测试、手机体位)和1个协变量(如参与者性别)进行。事后比较与Bonferroni校正多重比较，然后进行梳理任何相互作用。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

平均R数据的分布gydF4y2Ba

收集数据并根据运动状态、腿部测试和手机的体位进行分类。在8种运动条件下，测试了2条腿，3种身体姿势，总共产生了48个单独的数据单元。对校准和校正后的平均R数据的检查显示，48个细胞中的大多数是非高斯分布。然后对所有观测值执行倒数变换(1/mean R)。倒数的平均R值表示以秒为单位达到给定速度所需的时间。gydF4y2Ba

反比变换使大部分细胞呈钟形分布，但2个细胞继续呈双峰分布。对具有双峰分布的2个细胞进行了进一步的详细检查。数据通过中位数分割分为两组。然后对收集到的人口统计学数据(如性别、惯用手、脚优势)、人体测量数据(如脚长)和临床测量数据(如受伤次数、身体活动)进行组间差异检查。两种细胞的卡方分析揭示了参与者性别的显著影响(λ)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(1,48) = 6.857 (gydF4y2BaPgydF4y2Ba< . 01);λgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(1,48) = 30.561 (gydF4y2BaPgydF4y2Ba<措施)。在随后的方差分析中，参与者性别作为协变量，残差分布呈钟形。gydF4y2Ba

运动困难的独立临床评估gydF4y2Ba

采用8分制，其中1为最困难，8为最困难，8位独立治疗师根据他们对每种情况困难程度的临床经验，分别对8种平衡状况进行排名(gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba)。对所有治疗师组合进行两两加权kappa统计，共28个值，取值范围为0.88至0.98，表明评分者之间的一致性很高。gydF4y2Ba

缅甸应用程序对每个身体部位(即脚踝、膝盖、躯干)的运动难度排名是相同的。两两kappa统计评估器械运动难度排名与专家排名之间的一致性，其值为0.9 ~ 1.0。所有kappa值均大于0.8，这被解释为设备与临床专家之间的良好一致[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

运动条件、腿部测试和身体姿势对手机的影响gydF4y2Ba

对3个受试者内变量(如运动条件、腿部测试、手机体位)和1个协变量(如参与者性别)的互反加速度值进行重复测量方差分析。运动状态、腿部测试和手机身体位置之间存在显著的3向交互作用(F(14,644) = 19.490);gydF4y2BaPgydF4y2Ba<措施)。gydF4y2Ba

如引言所述，我们感兴趣的主要问题包括:(1)缅甸是否能够区分不同难度运动的平衡表现;(2)移动设备应该放置在哪个身体位置以获得最大的检测。根据我们的研究重点和确定的3-way相互作用，我们首先通过检查每个身体部位的横向性-运动相互作用来探索横向性问题。在踝关节处发现了显著的相互作用(F(7322) = 13.021，gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.001)和膝关节位置(F(7322) = 16.098;gydF4y2BaPgydF4y2Ba<措施)。单独的单变量方差分析(ANOVAs)和参与者的性别作为协变量，对每个腿-身体姿势组合(即右腿-躯干、左腿-躯干、右腿-膝盖、左腿-膝盖、右腿-脚踝、左腿-脚踝)的运动效果也反映了这一发现。gydF4y2Ba表4gydF4y2Ba给出了每个方差分析的练习和残差平方和。gydF4y2Ba

运动平方和值提供了由于不同类型的运动引起的变化的估计，而残差平方和值提供了无法解释的变化的估计。踝关节位置的剩余可变性高于膝盖或躯干，这表明踝关节不是智能手机的理想位置。gydF4y2Ba

在难度较大的练习情况下(即单腿站在地上，闭眼;单腿站在泡沫上;单腿站在泡沫上，闭着眼睛)，观察到更高的原始加速度值。作为倒数变换(1/mean R)的结果，对于这些更困难的练习，不同身体位置之间检测灵敏度的任何潜在差异都将被掩盖。gydF4y2Ba

因此，我们完成了单独的单因素方差分析，仅包括这3种运动，其中1个受试者内变量(如运动条件)和参与者性别作为每个腿-身体姿势组合(即右腿-躯干、左腿-躯干、右腿-膝盖、左腿-膝盖、右腿-脚踝、左腿-脚踝)的协变量。由于这3个练习的原始数据是非高斯分布，因此使用了往复变换的数据。总的发现是踝关节和膝关节位置的运动平方和值具有可比性;然而，踝关节位置的剩余平方和值略低于膝关节位置，但代价是可能增加左右踝关节之间的不对称性，以及在测试过程中需要移动手机的实际成本。指gydF4y2Ba表5gydF4y2Ba查看详细结果。gydF4y2Ba

重复测量方差分析还显示，运动条件与体位之间存在显著的双向交互作用(F(14,644) = 14.151;gydF4y2BaPgydF4y2Ba<措施)。在对这种相互作用的事后分析中，我们发现运动对所有三个身体位置都有显著影响(gydF4y2BaPgydF4y2Ba<措施);运动对膝盖的影响最大。基于这些发现，我们认为膝盖似乎是放置手机的最佳位置，以检测运动中平衡表现的差异。指gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba求平均值。gydF4y2Ba

总之，我们发现移动应用程序可以区分不同难度的运动，并且膝盖位置总体上最大限度地检测平衡差异。gydF4y2Ba

‎gydF4y2Ba 查看此图gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

原则的结果gydF4y2Ba

这项研究在平衡研究领域有两个独特的贡献。首先，我们已经证明了一种现成的软件形式，即手机应用程序，可以用来量化站立平衡，并可以区分不同难度的练习。我们的研究与其他平衡研究一致，表明泡沫表面的平衡性比坚硬表面差，闭着眼睛的平衡性比睁开眼睛的平衡性差。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

其次，我们已经证明，使用低成本加速度计测量站立平衡的最佳位置是膝盖，而不是躯干，正如之前的研究人员所建议的那样[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。大多数使用加速度计的研究人员都将其放置在L3-4腰椎棘突上方的个人近似质心处[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。这将在进行平衡练习时测量躯干加速度。不幸的是，除非个体的平衡受到严重挑战或加速度计具有高采样率，否则加速度计几乎无法检测到躯干运动。由于我们的人群相对年轻，健康，运动，并且我们的加速度计具有14-15Hz的低采样率，我们假设在主干测量不会产生更容易平衡条件的可靠结果。因此，为了与之前的研究保持一致，我们决定在躯干、膝盖(脚踝和躯干之间的中点)和脚踝处进行测量，因为我们认为加速度计由于脚踝周围的扰动程度会获得最可靠的测量结果。以前的研究人员使用的加速度计每秒采样40-2000次(40-2000Hz) [gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。由于我们的低成本加速度计和低采样率，我们希望确定手机的最佳放置位置，以获得有意义的受试者平衡测量。值得注意的是，2013年以后发布的大多数手机的采样率至少为每秒150-200次[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。这似乎表明，随着移动电话技术的进步和嵌入式加速度计的改进，缅甸可能能够提供更可靠的站立平衡测量方法。值得注意的是，对于更困难的运动，脚踝的位置可能提供更大的检测灵敏度，但这将以左腿和右腿之间潜在的更大不对称为代价。最近一项评估帕金森氏症家庭监测移动应用程序的研究也利用绑在患者脚踝上的移动设备进行行走和转身测试[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。考虑到患者使用的方便性和可行性，踝关节可能是自我监测平衡和步态的首选位置。gydF4y2Ba

所有8种平衡条件的难度程度，由独立的临床医生排名确定，与缅甸的排名结果高度一致。与临床判断相比，这表明该应用具有很强的有效性。gydF4y2Ba

与前期工作比较gydF4y2Ba

加速度计在研究和临床环境中用于测量站立平衡和步态模式;比较受伤和未受伤的受试者，老年跌倒者和非跌倒者;帕金森病患者平衡能力测试;并对人体运动和运动表现进行分类[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba，gydF4y2Ba23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。先前的研究已经证实，使用研究级加速度计进行的平衡测量，与测力板、临床平衡测试、临床医生评分相比，显示出同时的有效性，而且它们也显示出重测的可靠性[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba-gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。根据以前的研究，很明显，使用加速度计来测量平衡并不是一个新概念。这项研究的新颖之处在于使用了一款手机应用程序来量化站立平衡。先前的五项研究利用手机来量化康复背景下的人体运动。第一种方法是利用手机对不同的体育活动进行分类，第二种方法是协助进行凝视稳定练习，第三种方法是测试其测量结果对计时起床测试的有效性[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba-gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。最近发表的两篇文章还利用移动设备的惯性传感器对体弱多病的老年人进行家庭监测，并测量帕金森病患者的步态和翻身情况[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

移动电话和应用程序在世界各地变得无处不在。事实上，据估计，2012年，在拥有移动设备的人中，超过40%的欧洲成年人和50%的美国成年人拥有智能手机。gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]。在全球范围内，预计到2016年智能手机用户将达到20亿[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba31gydF4y2Ba]。移动电话和智能手机的广泛使用导致了移动健康或移动健康的出现。gydF4y2Ba

移动医疗领域已经成为一种患者监测自身健康状况的方式，也是医疗保健提供者监测并为患者提供远程评估和治疗的方式，特别是对于那些资源有限的地区[gydF4y2Ba31gydF4y2Ba]。移动医疗的潜在好处包括远程、以患者为中心和成本效益，以及能够改善研究和健康结果、减少就医次数、允许患者自我管理慢性疾病，并赋予患者信息和测量身体功能的能力，而这些以前需要专门的设备和/或医疗保健提供者。gydF4y2Ba32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。移动医疗的发展和普及速度非常快;然而，对移动医疗的主要批评之一是，其增长速度远远超过了证实其作为医疗保健工具使用的结果和研究[gydF4y2Ba31gydF4y2Ba，gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]。2013年10月的一份移动健康应用审查报告指出，目前美国苹果iTunes应用商店中有4.3万个医疗保健应用可供下载，但大多数只提供信息，功能非常简单和有限。gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。研究人员建议增加医疗服务提供者和患者对移动医疗计划的投入，并在移动医疗领域进行更严格的循证研究，以证明其作为一种医疗工具的有效性。gydF4y2Ba31gydF4y2Ba-gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

随着移动健康的出现和普及，本文提出了一种测量站立平衡的方法，该方法利用移动电话的功能，同时解决了文献中确定的移动健康的一些建议和局限性。缅甸应用程序可以弥合临床医生、研究人员和患者之间衡量平衡的差距。它可以使患者了解和测量他们的站立平衡，并在未来改善他们对平衡缺陷的康复依从性。缅甸应用程序还可以为临床医生提供一种评估和跟踪站立平衡的方法，这种方法无需昂贵的设备或额外的培训就可以在临床环境中轻松执行。gydF4y2Ba

这个应用程序的一个关键目标是使平衡测量尽可能广泛地可访问和可用。所使用的手机每台售价160加元，而臂章每只售价5至30美元不等。广泛使用这款应用程序的最初障碍之一是需要对数据进行离线后处理。然而，最新版本的myAnkle可以从Google Play Store免费下载，它可以实时执行所有数据处理，而无需后处理。gydF4y2Ba

研究的局限性gydF4y2Ba

本研究的主要局限性是，缅甸的平衡测量没有与金标准进行比较，例如测力板或研究级加速度计，这些标准经过了有效性和可靠性测试。该量表不与目测量表进行比较，可提高其临床适用性。下一阶段的研究和测试将包括使用测力板和视觉秤同时测试该应用程序，以确定并发有效性和可靠性。我们还计划在多部手机上测试应用程序，以确定应用程序在不同设备上同时使用时是否可靠。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

在难度更高的平衡条件下，缅甸应用程序测量到的平均加速度值明显更高。缅甸应用程序还显示，泡沫表面和闭眼平衡练习比在地面或睁开眼睛的相同练习更具挑战性，膝盖位置是测量站立平衡的最佳位置。与专家的临床评分相比，缅甸应用程序显示出很强的有效性。这些结果表明，在临床、研究和家庭环境中，myAnkle作为站立平衡的测量工具可能具有更广泛的实用性。gydF4y2Ba