Single-camera pose estimation for quantitative assessment of balance deficits: a proof-of-concept using graded acute alcohol intake

L'equilibrio è la negoziazione silenziosa e costante tra il cervello e il corpo. Esso si basa su un ciclo continuo in cui gli occhi, l'orecchio interno e i sensori nei muscoli e nelle articolazioni inviano segnali al cervello, il quale poi compie piccoli, invisibili aggiustamenti per tenerci in piedi. Quando questo ciclo viene interrotto, come avviene in condizioni quali l'ictus o la malattia di Parkinson, la capacità di stare fermi o camminare in sicurezza può svanire. Per decenni, i medici si sono affidati a una lista di controllo standard chiamata Scala di Equilibrio di Berg per misurare questa capacità. Un clinico osserva un paziente mentre esegue una serie di compiti, come stare su una gamba sola o girarsi, e assegna un punteggio da zero a quattro in base a quanto bene il compito è stato completato. Sebbene questo metodo sia ampiamente utilizzato, presenta un difetto fondamentale: è uno strumento rozzo. Registra un giudizio finale di successo o fallimento, ma non può vedere i tremori sottili, le lievi oscillazioni o i micro-aggiustamenti che avvengono prima che una persona cada effettivamente. Peggio ancora, per le persone che sono già piuttosto stabili, la scala raggiunge un soffitto. Se un paziente riesce a stare in piedi in sicurezza per trenta secondi, ottiene il punteggio più alto possibile, anche se il suo equilibrio è leggermente peggiore rispetto al giorno precedente. Ciò rende quasi impossibile tracciare piccoli miglioramenti o declini in persone che funzionano bene, che è esattamente quando la misurazione precisa è più necessaria per la riabilitazione.

Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Ospedale Cantonale di Baden si sono posti l'obiettivo di vedere se una semplice videocamera potesse rilevare cambiamenti nell'equilibrio che un osservatore umano non coglie. Avevano bisogno di un modo per creare un cambiamento noto e controllato dell'equilibrio che potesse essere misurato con precisione. Scelsero di utilizzare l'alcol. Facendo bere ai volontari sani quantità specifiche di alcol, i ricercatori potevano indurre un deficit temporaneo e graduato del cervelletto e del sistema vestibolare — ovvero proprio quelle parti del cervello che controllano l'equilibrio. Ciò ha permesso loro di testare un nuovo metodo digitale contro la scala clinica standard in condizioni in cui il livello "reale" di deficit era noto. Il team ha registrato ventiquattro adulti sani mentre eseguivano sei diversi compiti in piedi, che andavano dallo stare su due piedi allo stare su una gamba sola con gli occhi chiusi. Lo hanno fatto a tre diversi livelli di alcol nel sangue: zero, una dose bassa di 0,6 per mille e una dose alta di 1,0 per mille. Ogni sessione è stata filmata con una singola, ordinaria videocamera consumer, di quelle presenti negli smartphone, posizionata di fronte al partecipante.

I ricercatori hanno poi utilizzato un software avanzato per analizzare il video. Invece di chiedere a un essere umano di indovinare quanto una persona sembrasse stabile, il software ha tracciato il movimento del corpo della persona fotogramma per fotogramma, creando uno scheletro digitale della sua postura. Da questo video, il computer ha calcolato 167 diverse misurazioni del movimento, come la velocità con cui il corpo oscillava lateralmente, quanto si muoveva il tronco e se la persona faceva un passo per ritrovare l'equilibrio. Il team ha selezionato le misurazioni più sensibili di queste e le ha combinate in un unico punteggio digitale. Hanno poi confrontato questo punteggio digitale con il punteggio assegnato da un valutatore umano addestrato guardando lo stesso video, utilizzando una versione semplificata della scala di equilibrio standard. Il valutatore umano ha assegnato un punteggio da zero a quattro in base a quanto tempo la persona riusciva a mantenere la posizione senza cadere o senza bisogno di aiuto.

I risultati hanno mostrato una chiara differenza in ciò che i due metodi possono vedere. Il valutatore umano, utilizzando la scala standard, ha dato il punteggio massimo di quattro nel 77 percento di tutti i tentativi. Ciò significa che, per la maggior parte del tempo, anche mentre i partecipanti bevevano più alcol e il loro equilibrio peggiorava, l'osservatore umano non vedeva alcun cambiamento. La scala aveva raggiunto il suo limite; non riusciva a distinguere tra una persona perfettamente stabile e una persona leggermente instabile ma ancora in piedi. Al contrario, il punteggio digitale derivato dalla singola telecamera continuava a registrare il declino. La misura basata sul computer è stata in grado di classificare correttamente i tre livelli di assunzione di alcol per la maggior parte dei partecipanti, raggiungendo un'accuratezza media dell'86 percento, mentre la valutazione umana lo ha fatto correttamente solo per circa il 59 percento delle volte. Il punteggio digitale era significativamente migliore nel rilevare la differenza tra lo stato di sobrietà e lo stato a dose bassa, e ancora di più tra le dosi bassa e alta.

Forse il risultato più rivelatore si è verificato nel gruppo di partecipanti che ha ricevuto il punteggio massimo di quattro dal valutatore umano sia allo stato sobrio che a quello con alto livello di alcol. Per l'occhio umano, queste persone apparivano invariate. Tuttavia, il punteggio digitale mostrava un aumento costante e significativo dell'oscillazione del corpo all'aumentare del livello di alcol. Il computer ha rilevato un deterioramento graduato dell'equilibrio che l'osservatore umano ha completamente mancato. Ciò ha dimostrato che un punteggio massimo sulla scala standard non significa che l'equilibrio di una persona sia perfetto; significa solo che la sua prestazione rientrava nella categoria superiore della scala. Il metodo digitale, misurando l'effettivo movimento in unità fisiche anziché attraverso un giudizio soggettivo, poteva vedere il deficit che era nascosto dal soffitto del test tradizionale.

Lo studio ha anche esaminato quanto fossero affidabili i valutatori umani. Quando due diversi esperti guardavano gli stessi video, concordavano sul punteggio esatto l'83 percento delle volte. Tuttavia, questo alto livello di accordo era dovuto principalmente al fatto che entrambi davano il punteggio massimo alle stesse persone. Quando i ricercatori hanno esaminato solo i casi in cui il punteggio non era il massimo, l'accordo tra i due esperti è sceso a solo il 30 percento. Ciò suggerisce che quando un essere umano deve prendere una decisione reale su un caso limite, il suo giudizio varia significativamente. Il punteggio digitale, basato su un calcolo matematico coerente del movimento, non ha sofferto di questa variabilità.

I ricercatori hanno concluso che una singola, ordinaria videocamera può catturare dettagli fini dell'equilibrio che una valutazione clinica standard non può cogliere. Il punteggio digitale è stato in grado di tracciare gli effetti dell'alcol dose dopo dose, anche in persone che erano state valutate come prive di problemi di equilibrio. Questo non significa che l'osservatore umano sia inutile, ma mostra che la scala tradizionale ha un punto cieco per le persone che funzionano bene. L'approccio digitale offre un modo per misurare l'equilibrio in modo continuo e oggettivo, senza la necessità di attrezzature costose, marcatori speciali sul corpo o un ambiente di laboratorio. Suggerisce che, in futuro, un semplice video potrebbe fornire uno strumento molto più sensibile per monitorare il recupero o il declino dei pazienti, intercettando cambiamenti che altrimenti passerebbero inosservati finché non diventano troppo grandi per essere ignorati. Lo studio dimostra che la telecamera vede ciò che l'occhio non può vedere, trasformando una semplice registrazione in una misura precisa della stabilità.