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

O equilíbrio é a negociação silenciosa e constante entre o cérebro e o corpo. Ele depende de um ciclo contínuo onde os olhos, o ouvido interno e os sensores nos músculos e articulações enviam sinais ao cérebro, que então faz pequenos ajustes invisíveis para nos manter eretos. Quando esse ciclo é interrompido, como ocorre em condições como o acidente vascular cerebral ou a doença de Parkinson, a capacidade de permanecer parado ou caminhar com segurança pode desaparecer. Por décadas, os médicos confiaram em uma lista de verificação padrão chamada Escala de Equilíbrio de Berg para medir essa habilidade. Um clínico observa um paciente realizar uma série de tarefas, como ficar em um pé só ou girar, e atribui uma pontuação de zero a quatro baseada em quão bem a tarefa foi completada. Embora este método seja amplamente utilizado, ele possui uma falha fundamental: é um instrumento grosseiro. Ele registra um julgamento final de sucesso ou fracasso, mas não consegue ver os tremores sutis, os balanços leves ou os microajustes que acontecem antes de uma pessoa realmente cair. Pior ainda, para pessoas que já são bastante estáveis, a escala atinge um teto. Se um paciente consegue ficar de pé com segurança por trinta segundos, ele recebe a pontuação mais alta possível, mesmo que seu equilíbrio esteja ligeiramente pior do que estava no dia anterior. Isso torna quase impossível rastrear pequenas melhoras ou declínios em pessoas que estão funcionando bem, que é exatamente quando a medição precisa é mais necessária para a reabilitação.

Para resolver este problema, pesquisadores da ETH Zurich e do Hospital Cantonal de Baden decidiram verificar se uma simples câmera de vídeo poderia detectar mudanças no equilíbrio que um observador humano perde. Eles precisavam de uma maneira de criar uma mudança de equilíbrio conhecida e controlada que pudesse ser medida com precisência. Eles escolheram usar álcool. Ao fazer com que voluntários saudáveis bebessem quantidades específicas de álcool, os pesquisadores puderam induzir um comprometimento temporário e graduado do cerebelo e do sistema vestibular — as partes do cérebro que controlam o equilíbrio. Isso permitiu que eles testassem um novo método digital contra a escala clínica padrão sob condições onde o nível "real" de comprometimento era conhecido. A equipe registrou vinte e quatro adultos saudáveis realizando seis tarefas de equilíbrio diferentes, variando de ficar em dois pés a ficar em um pé só com os olhos fechados. Eles fizeram isso em três níveis diferentes de álcool no sangue: zero, uma dose baixa de 0,6 por mil e uma dose alta de 1,0 por mil. Cada sessão foi filmada com uma única câmera de consumo comum, do tipo encontrada em um smartphone, posicionada à frente do participante.

Os pesquisadores então usaram um software avançado para analisar o vídeo. Em vez de pedir a um humano para adivinhar se uma pessoa parecia estável, o software rastreou o movimento do corpo da pessoa quadro a quadro, criando um esqueleto digital de sua postura. A partir deste vídeo, o computador calculou 16 de diferentes medidas de movimento, tais como a velocidade com que o corpo balançava lateralmente, o quanto o tronco se movia e se a pessoa dava um passo para recuperar o equilíbrio. A equipe selecionou as medidas mais sensíveis destes e as combinou em uma única pontuação digital. Eles então compararam esta pontuação digital com a pontuação dada por um avaliador humano treinado assistindo ao mesmo vídeo, usando uma versão simplificada da escala de equilíbrio padrão. O avaliador humano atribuiu uma pontuação de zero a quatro baseada em quanto tempo a pessoa conseguia manter a posição sem cair ou precisar de ajuda.

Os resultados mostraram uma diferença clara no que os dois métodos podiam ver. O avaliador humano, usando a escala padrão, deu a pontuação máxima de quatro em 77 por cento de todos os testes. Isso significa que, na maior parte do tempo, mesmo conforme os participantes bebiam mais álcool e seu equilíbrio piorava, o observador humano não via mudança alguma. A escala havia atingido seu limite; ela não conseguia distinguir entre uma pessoa perfeitamente estável e uma pessoa ligeiramente instável, mas ainda de pé. Em contraste, a pontuação digital derivada da câmera única continuou a registrar o declínio. A medida baseada no computador foi capaz de classificar corretamente os três níveis de ingestão de álcool para a maioria dos participantes, alcançando uma precisão média de 86 por cento, enquanto a avaliação humana só fez isso corretamente para cerca de 59 por cento das vezes. A pontuação digital foi significativamente melhor em detectar a diferença entre o estado sóbrio e o estado de dose baixa, e ainda mais entre as doses baixa e alta.

Talvez a descoberta mais reveladora tenha ocorrido no grupo de participantes que recebeu a pontuação máxima de quatro do avaliador humano tanto no estado sóbrio quanto no nível de álcool elevado. Para o olho humano, essas pessoas pareciam inalteradas. No entanto, a pontuação digital mostrou um aumento significativo e constante no balanço do corpo conforme o nível de álcool subia. O computador detectou um deterioração graduada no equilíbrio que o observador humano completamente perdeu. Isso demonstrou que uma pontuação máxima na escala padrão não significa que o equilíbrio de uma pessoa é perfeito; significa apenas que seu desempenho caiu na categoria superior da escala. O método digital, ao medir o movimento real em unidades físicas em vez de um julgamento subjetivo, pôde ver o comprometimento que estava oculto pelo teto do teste tradicional.

O estudo também examinou o quão confiáveis eram os avaliadores humanos. Quando dois especialistas diferentes assistiram aos mesmos vídeos, eles concordaram com a pontuação exata em 83 por cento das vezes. No entanto, esse alto nível de concordância deveu-se, em grande parte, ao fato de ambos terem dado a pontuação máxima para as mesmas pessoas. Quando os pesquisadores olharam apenas para os testes em que a pontuação não era a máxima, a concordância entre os dois especialistas caiu para apenas 30 por cento. Isso sugere que, quando um humano tem que tomar uma decisão real sobre um caso limítrofe, seu julgamento varia significativamente. A pontuação digital, baseada em um cálculo matemático consistente de movimento, não sofreu com essa variabilidade.

Os pesquisadores concluíram que uma câmera comum e simples pode capturar detalhes finos do equilíbrio que uma classificação clínica padrão não consegue. A pontuação digital foi capaz de rastrear os efeitos da dose de álcool dose por dose, mesmo em pessoas que foram classificadas como não tendo problemas de equilíbrio. Isso não significa que o observador humano seja inútil, mas mostra que a escala tradicional tem um ponto cego para pessoas que estão funcionando bem. A abordagem digital oferece uma maneira de medir o equilíbrio de forma contínua e objetiva, sem a necessidade de equipamentos caros, marcadores especiais no corpo ou um ambiente de laboratório. Sugere que, no futuro, um vídeo simples pode fornecer uma ferramenta muito mais sensível para monitorar a recuperação ou o declínio de pacientes, capturando mudanças que, de outra forma, passariam despercebidas até que se tornassem grandes demais para serem ignoradas. O estudo prova que a câmera vê o que o olho não vê, transformando uma simples gravação em uma medida precisa de estabilidade.