Анализ тремора головы на основе волновой формы с использованием алгоритма отслеживания без маркеров с помощью 2D-видео

Юнг, очень рад снова видеть вас сегодня на подкасте. Вы стали постоянным участником. И доктор Бьорн, для меня большая честь видеть вас сегодня. Итак, мой первый вопрос к вам обоим, и любой из вас может высказаться по этому поводу: как вам пришла в голову идея провести это исследование?

Вы давно об этом думали, или же вы случайно наткнулись на новую технологию, алгоритм на основе видео, и решили, что это может быть хорошим применением? Или же вас вдохновил конкретный случай общения с пациентом?

Доктор Бомсок Чон: Все эти проблемы начались, когда я присоединился к Рабочей группе по дистоническому тремору, организованной MDS, которая занималась именно этой проблемой – дистоническим тремором.

Эту рабочую группу возглавлял Хайдер Джинна, и в ее состав входили [00:02:00] многие эксперты, такие как Альберто Альбанезе, Альфонсо Фазано, Санджай Пандей, Рик Хелмич, Мари Видайлет, Марина Тиссен, Аасеф Шейх, Роджер Элбл и Виктор Фунг. Одним из членов группы был Марк Халлетт, который скончался несколько недель назад, но внес огромный вклад в эту работу, оставив множество ценных комментариев и прислав нам видеозаписи пациентов.

Мы хотим выразить ему огромную благодарность.

Доктор Митра Афшари: Безусловно. Думаю, мы все скучаем по доктору Халлетту и думаем о нем. Похоже, что в разработку идеи этого проекта было вложено много труда, и в его создание в рамках рабочей группы по дистонии были вовлечены многие ведущие специалисты в этой области. В этом исследовании вы стремитесь найти более объективный подход к анализу тремора у пациентов с цервикальной дистонией и эссенциальным тремором, у которых наблюдается тремор головы. По собственному опыту могу сказать, что все мы сталкивались с ситуацией, когда сомневались в своей способности отличить дистонический тремор головы от тремора головы при эссенциальном треморе. Мы знаем, что дистонический тремор, кажется, менее ритмичен. Он, кажется, менее синусоидален, более отрывистый. Это не совсем тот чистый, истинный тремор, о котором мы обычно думаем, и хотя вы также ищете дополнительные признаки, такие как тоническая поза, безусловно, есть случаи, которые могут быть очень сложными. Поэтому вы задали простой вопрос: давайте возьмем то, что, как нам кажется, мы знаем о ритмичности и синусоидальности этих головных треморов, и проверим это на практике. Вы используете простые методы компьютерного зрения для анализа 2D-видеозаписей пациентов с головными треморами, а именно [00:04:00] отслеживаете движение кончика носа, и вы изучаете пациентов проспективно и ретроспективно, используя архивные видеозаписи.

Как вы упомянули, доктор Б.Дж., вы сотрудничали с известной Коалицией по дистонии, возглавляемой Баззом Джинной из Университета Эмори в Атланте, США, и активно использовали их архив видеозаписей пациентов с цервикальной дистонией. В частности, вы работали с пациентами, страдающими тремором головы, и даже привлекали пациентов из вашего университета, используя видеозаписи пациентов с эссенциальным тремором, которым, если я не ошибаюсь, проводили МРТ сфокусированным ультразвуком для лечения тремора рук. Вы также смогли подтвердить свои выводы с помощью анализа волновых форм на основе видеозаписей без маркеров. Вы подтвердили, что эти результаты согласуются с измерениями, полученными с помощью физических датчиков, сопоставив данные с гироскопом, который был размещен на голове пациента. Итак, доктор Б.Дж. или доктор Шин, не могли бы вы кратко описать ваши методы в этом исследовании и, в конечном итоге, что вы сделали? Могли бы вы обрисовать в сознании слушателя, как все это работало? 

Доктор Чон Хван Шин: Да. Большое спасибо за вопрос. Очень рад скоро вас увидеть, Митра. Меня интересует видеоанализ движений при двигательных расстройствах, включая болезнь Паркинсона, и на самом деле мои научные интересы сосредоточены именно на видеоанализе брадикинезии, поз и походки, особенно я уделяю большое внимание анализу походки с помощью двухмерных видео. Но довольно интересно, что мой интерес к видеоанализу начался еще во время моей работы над докторской диссертацией, где я проводил фундаментальные исследования с использованием мышиных моделей. В те времена, когда я писал диссертацию, у меня были проблемы с отслеживанием движений мыши, используя эндоскопы.

Итак, к голове мыши были прикреплены [00:06:00] линии, и традиционный метод путал эти линии, например, при эндоскопии, с хвостом мыши. Поэтому нам пришлось разработать другой метод анализа траектории движения мыши. И мы обнаружили, что методы компьютерного зрения позволяют отслеживать мышь без прикрепленных к ней маркеров. В рамках своей докторской программы я использовал множество таких алгоритмов для отслеживания положения мыши. А после возвращения в клинику я обнаружил, что у нас много видеозаписей. У нас много видео с тремором, походкой, брадикинезией, так почему бы не применить этот алгоритм к пациентам? Вот с чего все и началось.

Итак, я провел множество исследований, в том числе и по различным феноменологическим аспектам состояния пациентов, под руководством профессора Бьорна. Этот проект начался [00:07:00] с лабораторных собраний, где Бьорн поделился обсуждениями групп пациентов с дистоническим тремором, о которых он упоминал. Хотя существуют четкие определения тремора и дистонии, когда дело доходит до фактической феноменологии пациентов, может возникнуть много разногласий, потому что восприятие ритмичности и синусоидальности довольно субъективно. Поэтому Бьорн предложил измерить синусоидальность и ритмичность с помощью видеоалгоритма, поскольку это отражает то, что мы воспринимаем, так как это видеоанализ. Хорошо. Он сказал, что это было бы очень полезно. Таким образом, этот проект начался с подхода, основанного на гипотезах, а не на данных. Поэтому было очень важно измерить синусоидальность и ритмичность, а не всеобъемлющие характеристики этого тремора. Я думаю, это было очень ясно и определило направление, что сделало исследование [00:08:00] более осуществимым и эффективным в некотором смысле. Поэтому мы измеряли только кончик носа при головном треморе, потому что, если бы нам нужно было проанализировать множество комплексных характеристик головного тремора, нам, возможно, пришлось бы использовать трехмерный метод, поскольку головной тремор имеет трехмерную структуру. Но нашей целью было измерение ритмичности и синусоидальности. Поэтому нам не нужно было измерять все эти характеристики, но нам необходимо было определить форму волны у пациента.

Отслеживая только кончик носа во время тремора головы, мы могли анализировать, насколько ритмичны или синусоидальны волновые формы тремора. Нам пришлось разработать собственные параметры для измерения ритмичности и синусоидальности, что потребовало метода проб и ошибок. В итоге мы нашли оптимальные параметры, которые [00:09:00] отражали ритмичность и синусоидальность, с чем согласны многие наши эксперты по тремору и дистонии, а также соавторы наших статей. В этом исследовании мы хотели проверить правильность рассчитанных нами параметров ритмичности и синусоидальности. Поэтому мы провели валидацию с использованием гироскопа на наших внутренних выборках. Мы убедились, что эти параметры совпадают, и с самого начала использовали видео с высокой частотой кадров, не с высокой частотой кадров, а с частотой 240 кадров в секунду, чтобы исключить влияние низкой частоты кадров при видеозаписи пациентов с тремором. В противном случае анализ может привести к искажению данных о частоте реального тремора. Итак, мы использовали видео с частотой 240 кадров в секунду, но [00:10:00] в итоге обнаружили, что даже при частоте 30 кадров в секунду, когда мы уменьшили разрешение этих видео, они все равно показали хорошее соответствие с гироскопом. Поэтому мы хотели протестировать этот алгоритм на множестве видео, не из нашего центра, а со всего мира. И Коалиция по дистонии оказала большую поддержку, поделившись этими видео. Не только с пациентами с цервикальной дистонией, но и с пациентами с эссенциальным тремором. И так мы показали распределение ритмичности и синусоидальности у пациентов с цервикальной дистонией и эссенциальным тремором. Таким образом, основной результат этого исследования заключается в том, что мы показали распределение цервикальной дистонии и эссенциального тремора с точки зрения ритмичности и синусоидальности, которые были объективно измерены с помощью видеоанализа.

Доктор Митра Афшари: Понятно. То есть вы взяли то, что [00:11:00] применяли к своим моделям на животных, и, по сути, применили это к людям.

И вам удалось проверить простую гипотезу и действительно подтвердить её. Так что это был определённо творческий подход. И вот вы перешли к некоторым результатам статьи. Думаю, всех интересует, действительно ли дистонический тремор при цервикальной дистонии менее ритмичен и менее синусоидален? И соответствуют ли ваши результаты этой гипотезе?

Доктор Бомсок Чон: Конечно, да. Движения головы при цервикальной дистонии во многих случаях хуже, менее ритмичны и менее синусоидальны. Именно поэтому некоторые в нашей группе не хотели использовать термин «дистонический тремор», поскольку тремор должен быть ритмичным и синусоидальным. Некоторые в нашей группе не согласились с термином «дистонический тремор при цервикальной дистонии», но были люди, у которых движения при цервикальной дистонии были довольно ритмичными и довольно синусоидальными. Они выбрали диапазон эссенциального тремора, который является началом проблемы, требующей решения в будущем.

Доктор Митра Афшари: Замечательно. А вы обнаружили, что амплитуда тремора конкретно повлияла на ваши результаты? Мне кажется, это была одна из переменных, которые вы специально изучали. Могли бы вы обсудить с нами эти результаты?

Доктор Чон Хван Шин: Да, действительно. Это было связано с амплитудой, и мы проанализировали множество видеозаписей и обнаружили, что у некоторых пациентов амплитуда была высокой, а у других — низкой, и мы выяснили, что показатели синусоидальности и ритмичности коррелируют с амплитудой тремора.

[00:13:00] Если амплитуда тремора была большой, он, как правило, был ритмичным и синусоидальным. Но в группе с меньшей амплитудой он, как правило, был менее синусоидальным и менее ритмичным. Однако ограничением нашего исследования было то, что мы не могли объективно измерить амплитуду тремора, поскольку использовали двухмерное видео.

Таким образом, расстояние между головой и камерой различалось у разных людей. Если бы мы могли контролировать это расстояние, возможно, мы смогли бы объективно определить амплитуду. Но в этом исследовании мы не смогли этого сделать. Поэтому мы косвенно показали, что амплитуда тремора коррелирует с ритмичностью и индексом синусоидальности на основе шкалы Тетра, а неоднозначная амплитуда тремора определяется у пациента. Но это уже изучалось в предыдущих исследованиях, в том числе многими исследователями, включая доктора Аасефа, показавшего, что тремор действительно коррелирует с его синусоидальностью и ритмичностью.

Доктор Митра Афшари: Таким образом, несмотря на некоторые ограничения в способе получения этих данных, полученные результаты, похоже, соответствуют предыдущим исследованиям в отношении амплитуды тремора. Так что определенно что-то есть. Интересным открытием стало то, что в когорте пациентов с эссенциальным тремором, хотя и наблюдалась более высокая ритмичность синусоидальности, что более точно указывало на эссенциальный тремор, точность между так называемой видеодиагностикой и фактическим клиническим диагнозом была ниже. Точность диагностики составила около 64% ​​для эссенциального тремора по сравнению с примерно 82% для цервикальной дистонии с тремором головы. Что вы думаете об этом результате?

Доктор Бомсок Чон: Опять же, цервикальная дистония характеризуется менее ритмичными, менее синусоидальными движениями головы [00:15:00], что очень четко отличает цервикальную дистонию от других треморных расстройств. Но у некоторых пациентов с дистонией наблюдались скорее ритмичные, скорее синусоидальные движения, характерные для эссенциального тремора. Поэтому, основываясь только на ритмичности и синусоидальности, нельзя надежно дифференцировать эссенциальный тремор от цервикальной дистонии.

В этом и проблема. Проблема заключается в том, могут ли у пациентов с цервикальной дистонией наблюдаться ритмичные синусоидальные движения головы, которые можно назвать тремором.

Доктор Митра Афшари: Безусловно. И именно это заставляет нас задуматься о причинах проведения этих исследований. Итак, если всё это суммировать, какой, по-вашему, главный вывод можно сделать из этого исследования? Кажется, что эссенциальный тремор и цервикальная дистония [00:16:00] головы определённо находятся в одном спектре, верно? Как бы вы резюмировали главный вывод из вашего сегодняшнего исследования?

Доктор Чон Хван Шин: Хорошо. Как уже упоминал профессор Б.Дж., мы обнаружили вариативность гетерогенности цервикальной дистонии с тремором, а также внутри группы пациентов с эссенциальным тремором. Я думаю, это исследование показывает, что в реальном мире, где клиническая феноменология может измеряться субъективно, и достичь согласия даже среди экспертов довольно сложно. Была интересная статья Элана Луиса, в которой, используя видеозаписи пяти пациентов, семь экспертов по МДС попросили диагностировать эссенциальный тремор или дистоническую дергающуюся дистонию. И [00:17:00] все эксперты диагностировали этих пациентов в рамках различной феноменологии. Некоторые эксперты сказали, что у всех этих пациентов дергающаяся дистония, а другие — что у всех эссенциальный тремор. А другие эксперты заняли промежуточную позицию. Так что мы видим, что в реальном мире это было бы очень сложно.

Даже если у нас есть определение каждого феномена, это было бы очень сложно. Поэтому я думаю, что в этом плане использование объективных показателей могло бы дать ключ, подсказку для разрешения этих дискуссий и противоречий. Поэтому я думаю, что было бы очень сложно просто углубиться в определенную феноменологию, основываясь только на ритмичности и синусоидальности. Мы могли бы использовать объективные показатели, но вместе с ними мы могли бы использовать другие клинические подсказки, такие как сенсорные приемы или позы, и мы могли бы сделать более [00:18:00] приемлемое для лучшего описания феноменологии. Для меня, я думаю, использование самых современных цифровых технологий с описанием симптомов могло бы быть очень полезным во многих отношениях. Мы могли бы получить распределение, как показано в нашей таблице результатов. И мы могли бы начать обсуждения оттуда. Вот что мы хотели предложить в этой области в отношении этого тремора. Одна из вещей, которую мы сделали, относительно новая в этом исследовании, — это то, что мы вывели индекс синусоидальности. Индекс ритмичности изучался, и за эти годы было разработано множество параметров, но индекс синусоидальности был предложен в этом исследовании впервые. Причина, по которой мы смогли это сделать, заключается в использовании видеоанализа. Мы смогли получить форму волны тремора. Именно поэтому мы смогли вывести индекс синусоидальности, который отражает два основных определения тремора: ритмический и синусоидальный. Используя недавно разработанные цифровые технологии, я думаю, что этот подход можно применить ко многим другим феноменологическим аспектам и спорным моментам двигательных расстройств.

Доктор Митра Афшари: Безусловно. Думаю, вы знаете, что эти двухмерные видеоанализы, хотя и очень простые, на самом деле являются мощным инструментом, который можно добавить в ваш арсенал при постановке диагнозов, что в конечном итоге позволяет нам ставить максимально точные диагнозы и разрабатывать более целенаправленные и эффективные методы лечения. В этом исследовании вы рассматривали только кончик носа. Но вы упомянули ранее, что в будущем можно будет получить и другие показатели даже из этих двухмерных видео. Это верно? Другие движения или [00:20:00] оси, которые могут предоставить дополнительную информацию для постановки диагноза. Работает ли ваша группа над этим сейчас или планирует ли исследовать это в будущем в рамках исследовательской группы по дистонии?

Доктор Чон Хван Шин: Безусловно. Как мы уже упоминали, мы сосредоточились только на кончике носа. Главная причина заключалась в том, что мы хотели увидеть синусоидальность и ритмичность тремора головы. Существует множество других моделей с видеоанализом, которые могут моделировать трехмерные особенности головы и использовать их для оценки, например, углов поворота головы с точки зрения наклона головы, вращения головы и так далее. Таким образом, существует множество комплексных способов анализа дистонического тремора головы или даже руки. Поэтому мы очень заинтересованы в продвижении этого проекта вперед, используя эти комплексные подходы, и надеемся разработать более тонкий и лучший алгоритм в будущем для описания этой сложной феноменологии.

Доктор Митра Афшари: Большое спасибо, доктор Шин и доктор Би Джей. Сегодняшняя дискуссия действительно была превосходной. Мы хотим поблагодарить всю вашу команду за работу над этим проектом, всю исследовательскую группу по дистонии за всю проделанную вами работу, и мы хотим поблагодарить вас за то, что вы нашли время в своих плотных графиках, чтобы пообщаться с нами. Я уверен, что нелегко описать методы этого исследования на этом форуме, но вы оба проделали фантастическую работу. Так что спасибо вам, и до новых встреч, пока.

Доктор Бомсок Чон: До свидания.

Доктор Чон Хван Шин: Спасибо. [00:22:00] [00:23:00]