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Quantitative Analyse der Spontanmotorik von Säuglingen für die Prognose der infantilen Cerebralparese

Karch, Dominik

English Title: Quantitative Analysis of Spontaneous Movements in Infants for the Prediction of Cerebral Palsy

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Abstract

Die Untersuchung der kindlichen Spontanmotorik kann Aufschluss über Schädigungen des zentralen Nervensystems geben. Die Analyse der so genannten General Movements (GM), bei der der Arzt die Qualität der Spontanbewegungen beurteilt, hat sich in mehreren Studien als Verfahren mit hohem prognostischen Wert bezüglich der Manifestation einer infantilen Cerebralparese (ICP) erwiesen. Als subjektives Verfahren ist diese Analyse allerdings auf die Erfahrung des Urteilers angewiesen. Ein objektives Verfahren könnte auch Anfänger bei der Untersuchung unterstützen und die Analyse der General Movements damit einem weiten Anwenderkreis zugänglich machen. Zudem würde solch ein objektives Verfahren eine tiefergehende Erforschung der kindlichen Spontanmotorik ermöglichen. Ziel dieser Arbeit war es, Methoden für die quantitative Erfassung, Beschreibung und Auswertung der kindlichen Spontanmotorik zu entwickeln, um die Eigenschaften normaler und anomaler Säuglingsbewegungen objektiv untersuchen zu können und quantitative Marker für die Prognose der ICP zu finden. Dafür wurden im Rahmen einer Studie die Spontanbewegungen von Kindern im Alter von jeweils einem und drei Monaten auf Video und mit einem elektromagnetischen Trackingsystem aufgezeichnet. Die Videoaufnahmen wurden von Experten bewertet und die Kinder wurden im Alter von 8, 12 und 24 Monaten nachuntersucht; bei letzterer Untersuchung wurde der neurologische Outcome bestimmt. Von 86 Aufnahmen im Alter von drei Monaten (Untersuchungsgruppe 63, Kontrollgruppe 23) war zur Drucklegung der vorliegenden Arbeit für 65 Kinder der Outcome bekannt, von denen sieben eine ICP entwickelt hatten. Mittels eines neu entwickelten biomechanischen Modells wurden aus den aufgezeichneten Sensordaten Winkelbewegungen der Arm- und Beingelenke rekonstruiert und damit die Spontanbewegungen der Kinder quantitativ abgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass diese Messungen dank einer eigens neu entwickelten automatischen Rekalibrierung des Modells auch nach Störungen eine gleichbleibend hohe Qualität aufweisen. Aus den quantifizierten Säuglingsbewegungen konnten drei objektive Merkmale gewonnen werden, die eine außergewöhnliche Bewegungsqualität bzw. auffällige Bewegungen quantifizieren, die bei Kindern mit Outcome ICP durch eigene Beobachtung gefunden wurden: Bei etwa der Hälfte dieser Kinder fiel auf, dass sie in den Beinen fast keine ausgeprägten Bewegungen zeigen, dass also kaum Bewegungen moderater Geschwindigkeit in den Gelenkfreiheitsgraden des Beins vorhanden sind. Weiterhin zeigen einige dieser Kinder abrupte Bewegungen in Arm und Bein. Das dritte Merkmal quantifiziert selbstähnliche Armbewegungen, die der Spontanmotorik des Säuglings eine stereotype Qualität verleihen. Mithilfe dieses Merkmals kann erstmals die in der Literatur beschriebene Monotonie pathologischer Säuglingsbewegungen quantitativ abgebildet werden. Die Kombination der ersten beiden Merkmale ermöglicht die Unterscheidung der sieben Kinder mit ICP von allen übrigen Kindern der Stichprobe mit einer Sensitivität von 100% und einer Spezifität von 97%. Die Prognose der ICP aufgrund der subjektiven Bewertung der Urteiler erreichte eine durchgehend hohe Sensitivität, jedoch gab es bis zu 50% falsch positive Urteile, d.h. die schlechteste Kategorie der GM-Bewertung vereint ICP-Fälle mit Fällen von weniger starken neurologischen Störungen. Eine höhere Spezifität wäre hier wünschenswert. Die ermittelten objektiven Merkmale können als Entscheidungshilfe dienen, um so den Urteilern eine höhere Treffsicherheit bezüglich der ICP-Prognose zu ermöglichen. Generell könnte die Einbeziehung der gefundenen Merkmale — Abwesenheit ausgeprägter Beinbewegungen,isolierte Bewegungen und stereotype Armbewegungen — die Aussagekraft der subjektiven Analyse der kindlichen Spontanmotorik erhöhen. Die neu entwickelte und angewendete Methodik eröffnet neue Möglichkeiten zur objektiven, effizienten Erforschung der kindlichen Spontanmotorik. Während bei der herkömmlichen Vorgehensweise eine große Anzahl an Videoaufnahmen studiert werden muss, um die Verallgemeinerbarkeit einer bestimmten Beobachtung zu prüfen, kann dieser Schritt automatisiert geschehen, wenn diese subjektive Beobachtung vorher formalisiert wurde. Neben dem erheblich geringeren Aufwand liegt der Vorteil der in dieser Arbeit eingeführten semi-automatischen Methode darin, dass man schließlich über eine objektive Beschreibung des jeweils beobachteten Phänomens verfügt. Mit Hilfe des entwickelten Systems wurden im Rahmen dieser Arbeit objektive Bewegungsmerkmale gefunden, die auf eine sich entwickelnde ICP hinweisen können. Das System kann in Zukunft als Instrument verwendet werden, um die kindliche Spontanmotorik weiter zu erforschen und um Ärzte im klinischen Einsatz bei ihrer Entscheidungsfindung zu unterstützen.

Translation of abstract (English)

The assessment of spontaneous movements in infants can indicate impairments of the central nervous system. The analysis of the quality of a certain type of spontaneous movements, the so called general movements (GM), has been shown in several studies to be a method which yields a high predictive value regarding cerebral palsy (CP). However, due to the subjective nature of this method it is bound to the experience of the respective rater. An objective method could support novices, thereby enabling its widespread use. Furthermore, such an objective approach would allow for a more comprehensive research of spontaneous movements in infants. The aim of this thesis was the development of methods for quantitative capture, formal description and analysis of spontaneous movements in infants and the application of these methods in order to find quantitative features for the prediction of CP. In the context of a study movements of infants at the age of one and three months were recorded with a video camera and with an electromagnetic tracking system. The video recordings were evaluated by experts. Subsequently, the infants underwent follow-up examinations at the age of 8, 12 and 24 months. During the last examination the neurologic outcome was determined. At the date of printing of this thesis, out of 86 recordings at the age of 3 months (63 at risk for CP, 23 in the control group) the outcome of 65 infants was known, of which seven had developed CP. By the means of a novel biomechanical model joint movements of the limbs were derived from sensor movements, thereby yielding a quantitative description of infant movements. It could be shown that thanks to an automatic recalibration algorithm disturbances during the recording due to sensor displacement can be detected and compensated for. Three movement features were identified which characterize typical movements that have been observed in infants with outcome CP: Half of these children did not show pronounced leg movements, i.e. there were hardly any movements of moderate velocity in the angular degrees of freedom of the lower limb. Furthermore, some of these infants exhibited abrupt movements in the arm and the leg. The third feature quantifies self-similar arm movements that express a stereotype quality. Monotonous movements have been described in the literature as a property of pathologic movements. Using the feature, for the first time this kind of movements could be quantitatively represented. The combination of the first two features allowed for the discrimination of the seven infants with outcome CP in the given sample with a sensitivity of 100% and a specificity of 97%. Regarding the subjective evaluation, each rater was able to identify cases of CP with high sensitivity; however, there were more than 50% falsely positive predictions. Hence, movements that had been identified as abnormal were related with cases of CP as well as cases of less severe neurologic impairments. A higher specificity regarding CP would be of interest. The incorporation of the objective features – absence of distinct leg movements, isolated limb movements and stereotype arm movements – could enhance the validity of subjective evaluation. The novel method offers new possibilities for objective and efficient investigation of spontaneous movements in infants. Correlation between subjective observations and neurologic outcome can now be verified automatically as soon as the observations have been formalized, thereby evading the subjective review of vast numbers of video recordings. In addition to a considerable reduction in time and effort this semi-automatic approach yields a formalized description of observed movement phenomena. By means of the developed system objective movement features have been identified which can indicate the development of CP. The system can hereafter be applied as a tool for further research of spontaneous movements in infants and for clinical decision support.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dickhaus, Prof. Dr. Hartmut
Date of thesis defense: 30 May 2011
Date Deposited: 09 Jan 2012 13:56
Date: 2011
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Institut für Medizinische Biometrie und Informatik
Subjects: 610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Motorische Entwicklung, Bewegungsanalyse, Biosignalverarbeitung, Cerebrale Kinderlähmung, Mustererkennung
Uncontrolled Keywords: General MovementsGeneral Movements
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