Nowe technologie w fizyce biomedycznej/Posturografia

Posturograf

Zajęcia warsztatowe składające się z wprowadzającego w tematykę zajęć wykładu i indywidualnych ćwiczeń wykonywanych przez studentów. Studenci w czasie zajęć przeprowadzają standardowe pomiary posturograficzne, a następnie analizują zebrane dane.

Plan zajęć

Zajęcia 1:

• Wstęp teoretyczny:
  • Wii Balance Board (budowa, główne biblioteki obsługujące sensor, zastosowania)
  • Projesjonalne systemy do rejestracji siły nacisku
  • Równowaga a stabilność posturalna
  • Podstawowe zadania posturograficzne
  • Opis wybranych wskaźników do zadań posturograficznych
• Wprowadzenie do pomiarów przeprowadzanych na zajęciach (zapoznanie się z wybranymi scenariuszami oraz modułami do analizy)
• Zapoznanie się z działaniem Wii Balance Board
• Przeprowadzenie pomiarów

Media: WiiBoard.pdf Informacje wstępne oraz opis zadań

Zajęcia 2,3,4:

• Analiza zebranych danych
• Prezentacja wyników

Pomiary

Pomiary przeprowadzane są w środowisku OpenBCI. Architektura systemu oraz opis wybranych scenariuszy jest dostępny na stronie http://bci.fuw.edu.pl/wiki/Tutorials. Szczegółowe informacje dotyczące konfiguracji OpenBCI na Ubuntu 14.04 LTS można znaleźć pod adresem http://deb.braintech.pl/. Po zainstalowaniu pakietów źródła znajdą sie w katalogu /usr/share/openbci.

Z OpenBCI można również korzystać na systemie Windows -> instrukcja Media: obci_Windows.pdf

Rejestracja danych odbywa się w środowisku OpenBCI. System ten uruchamiamy wykonując w terminalu polecenie:

$ obci_gui --presets new_tech

Podczas zajęć przeprowadzone zostaną następujące pomiary:

• stanie swobodne z oczami otwartymi/zamkniętymi,
• wychylenia szybkie i "z przytrzymaniem" bez informacji zwrotnej dla badanego (w przód, w tył, w prawo, w lewo),
• wychylenia szybkie i "z przytrzymaniem" z informacją zwrotną dla badanego (w przód, w tył, w prawo, w lewo).

W wyniku każdego pomiaru otrzymujemy komplet trzech plików (lokalizacja: Katalog Domowy):

• Plik z sygnałem (.raw) zapisanym w formacie binarnym. W pliku znajdują się próbki z pięciu kanałów – wartości z czterech czujników WBB oraz momenty w czasie (w sekundach) mierzone względem pojawienia się pierwszej próbki.
• Plik z metadanymi (.xml), w którym znajdują się szczegółowe informacje dotyczące rejestracji (nazwy kanałów, częstość próbkowania, całkowita liczba próbek itp.).
• Plik ze znacznikami (.tag), w którym zapisywane są momenty kolejnych zdarzeń (np. początek i koniec wykonywania zadania) zsynchronizowane z sygnałem. Każdy znacznik posiada charakterystyczną nazwę, moment wystąpienia w sygnale, długość oraz ewentualnie opis.

W przypadku zadań z informacją zwrotną dla badanego generowane są dwa pliki ze znacznikami. Interesujące nas informacje znajdują się w pliku z rozszerzeniem .game.tag.

Analiza danych

Przygotowanie danych do analizy

Pierwszym etapem analizy jest wstępne przetworzenie danych. W tym celu należy wyestymować rzeczywistą częstość próbkowania Fs (w idealnym przypadku wynosi ona 65 Hz) oraz przepróbkować sygnał do częstości fs ok. 30 Hz (wychylenia swobodne widoczne są głównie w niższych częstościach).

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
from obci.analysis.balance.wii_read_manager import WBBReadManager
from obci.exps.ventures.analysis import analysis_baseline
from obci.analysis.balance.wii_preprocessing import *
from obci.analysis.balance.wii_analysis import *

def read_file(file_path, file_name, tag_format = 'obci'):
    file_name = file_path+file_name
    wbb_mgr = WBBReadManager(file_name+'.obci.xml', file_name+'.obci.raw', file_name + '.' + tag_format + '.tag')
    return wbb_mgr

FILE_PATH = '/home/newtech/'
FILE_NAME = 'wii_baseline_2015-03-04_15-02-01' #przykładowa nazwa pliku

#wczytanie danych
wbr_baseline = read_file(FILE_PATH, FILE_NAME)
#estymacja częstości próbkowania Fs                                  
Fs = analysis_baseline.estimate_fs(wbr_baseline.mgr.get_channel_samples('TSS')) 
#wpisanie częstości Fs do obiektu
wbr_baseline.mgr.set_param('sampling_frequency', Fs)   
#przepróbkowanie z czynnikiem 2                         
wbr_baseline = wii_downsample_signal(wbr_baseline, factor=2, pre_filter=True, use_filtfilt=True) 
#odczytanie nowej częstości próbkowania fs
fs = float(wbr_baseline.mgr.get_param('sampling_frequency'))

Po takich operacjach dane przechowywane w obiekcie 'wbr_baseline' klasy WBBReadManager są gotowe do użycia. Klasa ta posiada metodę 'get_raw_signal', która zwraca 4-kanałową macierz z danymi z 4 czujników (są to kanały odpowiadające kolejno czujnikom: górny lewy-TL, górny prawy-TR, dolny prawy-BR, dolny lewy-BL). Można wyznaczyć wartości wychyleń w kierunkach x i y na podstawie informacji z czterech czujników (rys. 1).:

[math]x=\frac{(TR+BR)-(TL+BL)}{TR+TL+BL+BR}[/math]

[math]y=\frac{(TR+TL)-(BR+BL)}{TR+TL+BL+BR}[/math]

Należy pamiętać, że dane z czujników pochodzą z układu odniesienia deski Wii Board - zatem uzyskane wartości x i y mieszczą się w zakresie od -1 do 1. Aby uzyskać dane w cm trzeba przemnożyć współrzędne x i y przez odpowiednie czynniki:

Wii Balance Board z oznaczonymi płaszczyznami ML i AP. TR, TL, BR, BL ozanczają pozycje czterech czujników.

Jednak w przypadku niektórych zadań należy jeszcze, przed wyznaczaniem x i y, odpowiednio wyciąć interesujące nas dane względem znaczników. Czynność tę wykonuje funkcja 'wii_cut_fragments', która zwraca listę obiektów 'smart_tags'. Liczba tych obiektów odpowiada liczbie zdarzeń z danym znacznikiem (dla stania swobodnego lista będzie miała tylko jeden element, natomiast dla wielokrotnych wychyleń będzie ich kilka). Każdy element na tej liście, posiada metodę 'get_samples' zwracającą dane w macierzy 7 kanałowej. W pierwszych 4 kanałach znajdują się dane z czujników TL,TR,BR,BL.

smart_tags = wii_cut_fragments(wbr_baseline, start_tag_name='ss_start', end_tags_names=['ss_stop'])
TL = smart_tags[0].get_samples()[0,:]
TR = smart_tags[0].get_samples()[1,:]
BR = smart_tags[0].get_samples()[2,:]
BL = smart_tags[0].get_samples()[3,:]

Znaczniki 'start_tag_name' oraz 'end_tags_names' dla poszczególnych pomiarów:

• stanie swobodne oczy otwarte: 'ss_start', 'ss_stop'
• stanie swobodne oczy zamknięte: 'ss_oczy_start', 'ss_oczy_stop'

• wychylenia szybkie bez informacji zwrotnej: 'szybkie_start', 'szybkie_stop'
• wychylenia "z przytrzymaniem" bez informacji zwrotnej: 'start', 'stop'

• stanie swobodne jako kalibracja do zadań z informacją zwrotną: 'ss_start', 'ss_stop'
• wychylenia szybkie z informacją zwrotną: nie ma znaczników - ciągły zapis danych
• wychylenia "z przytrzymaniem" z informacją zwrotną: 'start_1', 'finish'

Podczas wczytywania danych z informacją zwrotną interesujące nas informacje znajdują się w pliku z rozszerzeniem .game.tag. Zatem należy ustawić parametr 'tag_format' w wywołaniu funkcji read_file na 'game' (zamiast domyślnie ustawionego 'obci'). Znaczniki czasowe gry nie są zsynchronizowane z sygnałem, ponieważ gra uruchamiana jest w osobnym wątku, który nie ma możliwości komunikacji z multiplekserem. Z tego względu każdy znacznik zapisany w tym pliku posiada czas systemowy, który należy wyrównać względem pierwszej próbki w sygnale. Procedura ta została zaimplementowana w poniższej funkcji, którą należy wykonać przed przepróbkowaniem sygnału:

from obci.exps.ventures.analysis import analysis_helper
wbr_sway.mgr = analysis_helper.set_first_timestamp(wbr_sway.mgr)

Dalsze kroki przygotowania danych do analizy wykonujemy tak samo. Dla przypadku wychyleń "z przytrzymaniem" obiekty w liście zwróconej przez funkcję 'wii_cut_fragments' odpowiadają kolejnym realizacjom zadania. Mają one jednak nieco inną strukturę. Oprócz metody 'get_samples()', za pomocą której tak jak poprzednio wczytamy dane z 4 czujników, posiadają również metody:

• 'get_end_tag()' - zwraca strukturę, która w polu ['desc']['type'] przechowuje informację o tym czy zadanie zostało wykonane poprawnie (0-niepoprawnie, 1-poprawnie)
• 'get_start_tag()' - zwraca strukturę, która w polu ['desc']['type'] przechowuje informację o kierunku wychylenia (pole 'direction', wartości: 'up','down','left','right') oraz o poziomie trudności zadania (pole 'level'). Aby wydobyć informację o kierunku wychylenia (analogicznie dla poziomiu trudności) można skorzystać z funkcji: eval(smart_tags[index].get_start_tag()['desc']['type'])['direction']

Informacje o poziomie trudności, poprawności wykonania zadania oraz kierunku będą potrzebne do podjęcia decyzji, które próby wykonania zadania będą brane do dalszej analizy. Interesują nas jedynie te poprawne o najwyższym poziomie trudności w każdym z kierunków.

Analiza danych: stanie swobodne

W przypadku stania swobodnego z oczami zamkniętymi oraz otwartymi, studenci mają za zadanie wyznaczyć następujące wskaźniki posturograficzne:

• położenie środka równowagi COP (center of posture)
• maksymalne przemieszczenie względem położenia środka równowagi (w AP,ML oraz przestrzeni AP/ML),
• długość drogi względem położenia środka równowagi (w AP,ML oraz przestrzeni AP/ML),
• średnia prędkość przemieszczenia (w AP,ML oraz przestrzeni AP/ML),
• wskaźnik Romberga - stosunek różnicy długości drogi przy oczach zamkniętych i otwartych, do sumy długości drogi przy oczach zamkniętych i otwartych

Dokładny opis matematyczny wyżej wymienionych wskaźników znajduje się w pracy (Prieto, 1996).

Należy również przedstawić na wykresie przebieg ruchu COP oddzielnie w płaszczyźnie AP, ML oraz w przestrzeni AP/ML.

Dodatkowo studenci mają za zadanie przeprowadzić analizę rozkładu przestrzennego punktów statokinezjogramu. Statokinezjogramem lub posturogramem nazywamy wędrówkę COP w dwuwymiarowej płaszczyźnie podparcia. Kierunki na tej płaszczyźnie określa się jako AP (y) lub ML (x), przy czym ML oznacza wychylenia w płaszczyźnie czołowej (medio-lateral), a AP w płaszczyźnie strzałkowej (anterio-posterior). W celu przeprowadzenie takiej analizy, cały zakres zostaje podzielony na jednakowe komórki. Następnie obliczony zostaje histogram przestrzenny czasu przebywania w każdej z nich. Taki histogram pozwala ocenić, czy kontrola położenia referencyjnego COG (center of gravity), a tym samym pionowa orientacja ciała, jest prawidłowa. Wyznacznikiem prawidłowej kontroli jest histogram o skupionym rozkładzie i z wyraźnym maksimum. Upośledzenie kontroli objawia się tym, że histogram przestrzenny staje się rozmyty lub wyraźnie niesymetryczny (Błaszczyk, 2004).

Analiza danych: wychylenia dynamiczne

Oprócz wskaźników statycznych stabilności do oceny kontroli posturalnej wykorzystuje się również miary dynamiczne. Z punktu widzenia miar bezpośrednich, istotna jest ocena kontroli środka ciężkości ciała w czasie jego świadomego przemieszczania w wyznaczonym kierunku. W ramach pomiarów, studenci mieli za zadanie wykonać dwa rodzaje wychyleń (szybkie i "z przytrzymaniem") w dwóch warunkach: bez informacji zwrotnej dla badanego oraz z informacją zwrotną dla badanego. Dla każdego z przypadków należy wyznaczyć następujące parametry:

• położenie środka równowagi (dla warunku bez informacji zwrotnej będzie to COP ze stania swobodnego z oczami otwartymi, natomiast dla warunku z informacją zwrotną będzie to COP z sesji kalibracyjnej)
• wartość maksymalnego wychylenia (w określonym kierunku) względem położenia równowagi,
• wykresy składowych wychwiań względem położenia równowagi w płaszczyźnie AP, ML w zależności od czasu oraz wypadkowa trajektoria przemieszczeń COP (w dwuwymiarowej przestrzeni AP, ML).

i zbadać czy informacja zwrotna wpływa na rezultaty badanego.

Literatura:

• Błaszczyk J., Biomechanika kliniczna, PZWL, 2004
• Prieto T.E. et al., Measures of postural steadiness: differences between healthy young and elderly adults, IEEE Trans Biomed Eng, 1996, 43(9):956-66