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

Evenwicht is de stille, constante onderhandeling tussen de hersenen en het lichaam. Het rust op een continue lus waarbij de ogen, het binnenoor en de sensoren in de spieren en gewrichten signalen naar de hersenen sturen, die vervolgens minuscule, onzichtbare aanpassingen maken om ons rechtop te houden. Wanneer deze lus wordt verstoord, zoals bij aandoeningen als een beroerte of de ziekte van Parkinson, kan het vermogen om stil te staan of veilig te lopen verdwijnen. Decennialang hebben artsen vertrouwd op een standaard checklist genaamd de Berg Balance Scale om dit vermogen te meten. Een clinicus observeert een patiënt terwijl deze een reeks taken uitvoert, zoals op één voet staan of ronddraaien, en wijst een score toe van nul tot vier op basis van hoe goed de taak is voltooid. Hoewel deze methode wijdverbreid is, heeft ze een fundamenteel gebrek: het is een bot instrument. Het legt een eindoordeel vast van succes of falen, maar het kan de subtiele trillingen, het lichte wiegen of de micro-aanpassingen niet zien die plaatsvinden voordat iemand daadwerkelijk valt. Bovendien, voor mensen die al vrij stabiel zijn, bereikt de schaal een plafond. Als een patiënt dertig seconden veilig kan staan, krijgt deze de hoogst mogelijke score, zelfs als de balans iets slechter is dan die van gisteren. Dit maakt het bijna onmogelijk om kleine verbeteringen of achteruitgangen te volgen bij mensen die goed functioneren, wat precies is wanneer nauwkeurige meting het meest nodig is voor revalidatie.

Om dit probleem op te lossen, zetten onderzoekers van ETH Zürich en het Cantonaal Ziekenhuis Baden zich in om te zien of een eenvoudige videocamera veranderingen in het evenwicht kan detecteren die een menselijke waarnemer mist. Ze hadden een manier nodig om een bekende, gecontroleerde verandering in het evenwicht te creëren die precies gemeten kon worden. Ze kozen hiervoor voor alcohol. Door gezonde vrijwilligers specifieke hoeveelheden alcohol te laten drinken, konden de onderzoekers een tijdelijke, gegradeerde beperking induceren van het cerebellum en het vestibulaire systeem—deze delen van de hersenen die het evenwicht controleren. Dit stelde hen in staat om een nieuwe digitale methode te testen tegen de standaard klinische schaal onder omstandigheden waarin het "ware" niveau van beperking bekend was. Het team legde twintig vier gezonde volwassenen vast die zes verschillende sta-taken uitvoerden, variërend van staan op twee voeten tot staan op één voet met gesloten ogen. Dit deden ze bij drie verschillende niveaus van alcohol in het bloed: nul, een lage dosis van 0,6 promille, en een hoge dosis van 1,0 promille. Elke sessie werd gefilmd met een enkele, gewone consumentencamera, het type dat in een smartphone te vinden is, geplaatst voor de deelnemer.

De onderzoekers gebruikten vervolgens geavanceerde computersoftware om de video te analyseren. In plaats van een mens te vragen te raden hoe stabiel iemand eruitzag, volgde de software de beweging van het lichaam van de persoon frame voor frame, waardoor een digitale skelet van hun houding werd gecreëerd. Vanuit deze video berekende de computer 167 verschillende bewegingsmaten, zoals hoe snel het lichaam zijwaarts wiegde, hoeveel de romp bewoog en of de persoon een stap zette om het evenwicht te herstellen. Het team selecteerde de meest gevoelige van deze metingen en combineerde deze tot een enkele digitale score. Vervolgens vergeleken ze deze digitale score met de score die een getrainde menselijke beoordelaar gaf bij het kijken naar dezelfde video, waarbij een vereenvoudigde versie van de standaard balansschaal werd gebruikt. De menselijke beoordelaar kende een score toe van nul tot vier op basis van hoe lang de persoon de positie kon vasthouden zonder te vallen of hulp nodig te hebben.

De resultaten toonden een duidelijk verschil tussen wat de twee methoden konden zien. De menselijke beoordelaar, gebruikmakend van de standaard schaal, gaf in 77 procent van alle proeven de maximale score van vier. Dit betekent dat voor het grootste deel van de tijd, zelfs terwijl de deelnemers meer alcohol dronken en hun evenwicht verslechterde, de menselijke waarnemer geen verandering zag. De schaal had zijn limiet bereikt; het kon niet onderscheid maken tussen een persoon die perfect stabiel was en een persoon die licht onstabiel was maar nog steeds stond. In contrast hiermee bleef de digitale score, afgeleid van de enkele camera, de achteruitgang registreren. De computergestuurde maatstaf was in staat om de drie niveaus van alcoholinname correct te rangschikken voor de meerderheid van de deelnemers, waarbij een gemiddelde nauwkeurigheid van 86 procent werd bereikt, terwijl de menselijke beoordeling dit slechts in ongeveer 59 procent van de gevallen correct deed. De digitale score was significant beter in het detecteren van het verschil tussen de nuchtere staat en de lage dosis, en nog meer tussen de lage en hoge doses.

Misschien wel de meest onthullende bevinding vond plaats bij de groep deelnemers die de maximale score van vier ontving van de menselijke beoordelaar bij zowel de nuchtere staat als bij het hoge alcoholniveau. Voor het menselijk oog leken deze mensen onveranderd. De digitale score toonde echter een significante, gestage toename van het lichaamswiegen naarmate het alcoholniveau steeg. De computer detecteerde een gegradeerde verslechtering van het evenwicht die de menselijke waarnemer volledig miste. Dit bewees dat een maximale score op de standaard schaal niet betekent dat iemands evenwicht perfect is; het betekent alleen dat de prestatie binnen de hoogste categorie van de schaal viel. De digitale methode, door de werkelijke beweging te meten in fysieke eenheden in plaats van een subjectief oordeel, kon de beperking zien die verborgen lag achter het plafond van de traditionele test.

De studie onderzocht ook hoe betrouwbaar de menselijke beoordelaars waren. Wanneer twee verschillende experts naar dezelfde video's keken, kwamen ze in 83 procent van de gevallen een exacte overeenstemming over de score. Deze hoge mate van overeenstemming kwam echter grotendeels doordat zij beiden de maximale score aan dezelfde mensen gaven. Wanneer de onderzoekers alleen naar de proeven keken waarbij de score niet maximaal was, daalde de overeenstemming tussen de twee experts naar slechts 30 procent. Dit suggereert dat wanneer een mens een echt besluit moet nemen over een grensgeval, hun oordeel aanzienlijk varieert. De digitale score, gebaseerd op een consistente wiskundige berekening van beweging, leed niet onder deze variabiliteit.

De onderzoekers concludeerden dat een enkele, gewone camera fijne details van het evenwicht kan vastleggen die een standaard klinische beoordeling niet kan. De digitale score was in staat om de effecten van de alcoholdosering dosis voor dosis te volgen, zelfs bij mensen die als zijnde zonder evenwichtsproblemen werden beoordeeld. Dit betekent niet dat de menselijke waarnemer nutteloos is, maar het laat wel zien dat de traditionele schaal een blinde vlek heeft voor mensen die goed functioneren. De digitale benadering biedt een manier om het evenwicht continu en objectief te meten, zonder de noodzaak van dure apparatuur, speciale markeringen op het lichaam of een laboratoriumsetting. Het suggereert dat een eenvoudige video in de toekomst een veel gevoeliger hulpmiddel kan bieden voor het monitoren van herstel of achteruitgang bij patiënten, waarbij veranderingen worden opgevangen die anders pas zouden worden opgemerkt wanneer ze te groot zijn om te negeren. De studie bewijst dat de camera ziet wat het oog niet kan zien, en verandert een eenvoudige opname in een precieze maatstaf voor stabiliteit.