Vågformsbaserad analys av huvudtremor med hjälp av en markörlös spårningsalgoritm med 2D-video

Jung, det är kul att ha dig med i podden igen idag. Du har blivit en stamgäst. Och Dr. Bj, det är verkligen en ära att ha dig här idag. Så min första fråga till er båda, och om någon av er kan bidra, är hur ni kom på idén att göra den här studien?

Var detta något du hade funderat på ett tag, eller stötte du på den nya tekniken, den videobaserade algoritmen, och tänkte att detta kunde vara ett bra användningsområde för den? Eller inspirerades du av ett visst patientmöte?

Dr. Beomseok Jeon: Det här problemet började när jag gick med i arbetsgruppen för dystoni och tremor, som organiserades av MDS och som specifikt skulle arbeta med problemet med dystonisk tremor.

Denna arbetsgrupp leddes av Hyder Jinnah och bestod av [00:02:00] många experter som Alberto Albanese, Alfonso Fasano, Sanjay Pandey, Rick Helmich, Marie Vidailhet, Marina Tjissen, Aasef Shaikh, Roger Elble och Victor Fung. En av medlemmarna var Mark Hallett, som gick bort för flera veckor sedan, och som bidrog mycket till detta arbete genom att ge många bra kommentarer och skicka patientvideor till oss.

Vi vill verkligen tacka honom så mycket.

Dr. Mitra Afshari: Absolut. Jag tror att vi alla saknar Dr. Hallett och vi tänker på honom. Så det låter som att det låg mycket arbete bakom idén bakom det här projektet och mycket arbete från flera kraftpaket när det gäller dystoni, som en del av dystoni-arbetsgruppen. Så i den här studien strävar ni efter att hitta en mer objektiv metod för [00:03:00] tremoranalys och patienter med cervikal dystoni och essentiell tremor som har huvudtremor. Anekdotiskt tror jag att vi alla har varit i den positionen där vi har ifrågasatt vår förmåga att verkligen skilja en dystonisk huvudtremor från en huvudtremor som ses vid essentiell tremor. Vi vet att dystoniska tremor verkar vara mindre rytmiska. De verkar vara mindre sinusformade, de är mer ryckiga. De är mindre av den typen av ren, sann tremor som vi tänker på, och även om man också letar efter ytterligare ledtrådar som underliggande tonisk hållning, finns det definitivt vissa fall som kan vara mycket utmanande. Så du ställde den enkla frågan, låt oss ta vad vi tror att vi vet om rytmiciteten och sinusformen hos dessa huvudskakningar och låt oss testa dem. Så du använder enkla datorseendetekniker för att analysera 2D-videoinspelningar av patienter med huvudskakningar, specifikt [00:04:00] spårning av nästippens rörelse, och du tittade på patienter prospektivt och retrospektivt genom arkivvideor.

Som du nämnde, Dr. Bj, samarbetade du specifikt med den välkända Dystonia Coalition Group som leds av Buzz Jinnah vid Emory University i Atlanta i USA och du utnyttjade verkligen deras arkiv med videor från patienter med cervikal dystoni. Patienten specifikt med huvudtremor, och du rekryterade även prospektivt patienter vid ditt universitet och utnyttjade till och med några videor av patienter med cervikal dystoni som genomgick MR-fokuserad ultraljudsundersökning, om jag har rätt, för deras handtremor. Du kunde också bekräfta dina resultat från dessa markörlösa videobaserade vågformsanalyser. Du bekräftade att dessa resultat överensstämde med fysiska sensorbaserade mätningar genom att korrelera data med ett gyroskop som placerades på patientens huvud. Så Dr. [00:05:00] BJ eller Dr. Shin, kan ni kortfattat beskriva era metoder i den här studien, och slutligen, vad gjorde ni? Kan ni måla upp en bild i våra lyssnares sinne av hur allt detta fungerade? 

Dr. Jung Hwan Shin: Ja. Tack så mycket för frågan. Kul att se dig snart, Mitra. Jag har varit intresserad av videobaserad analys av rörelser vid rörelsestörningar, inklusive Parkinsons sjukdom, och mina forskningsintressen fokuserar på videobaserad analys av bradykinesi, ställningar och gång, särskilt. Jag är ganska fokuserad på att göra gånganalyser med tvådimensionella videor. Men det är ganska intressant att jag har varit intresserad av videobaserad analys, som började under min doktorandtid där jag gjorde grundforskning med musmodeller. Förr i tiden, när jag doktorerade, hade jag svårt att spåra musen som bar endoskop.

Så det fanns typ [00:06:00] linjer fästa vid musens huvud och den konventionella metoden förväxlade dessa linjer fästa vid musens huvuden, som endoskopi, med musens svans. Så vi måste komma på en annan metod för att analysera musens bana. Och vi upptäckte att datorseendetekniker kunde möjliggöra spårning av musen utan markörer fästa vid själva musen. Så, under mitt doktorandprogram använde jag många av dessa algoritmer för att spåra musens position. Och efter att jag kom tillbaka till kliniken upptäckte jag att vi har många videor. Vi har många videor av tremor, gång, bradykinesi, så varför inte tillämpa den här algoritmen på patienterna? Så det var allt det började.

Så jag gjorde många studier, även om många fenomenologiska aspekter av patienter, under handledning av professor Bj. Och det här projektet startade [00:07:00] med labmöten där BJ delade diskussionerna om de grupper han nämnde om dystoni och tremor. Även om det finns en tydlig definition av tremor och dystoni, kan det finnas många meningsskiljaktigheter när det gäller patienternas faktiska fenomenologi, eftersom huruvida vi uppfattar rytmicitet och sinusformad rytmicitet är ganska subjektivt. Så Bj nämnde varför man inte mäter sinusformad och rytmisk med videobaserad algoritm, eftersom det återspeglar det, eftersom det är en videoanalys. Okej. Han nämnde att det skulle vara mycket fördelaktigt. Så det här projektet började med den hypotesdrivna metoden, inte den datadrivna metoden. Så det var väldigt tydligt att mäta sinusformaditet och rytmicitet, inte hela den övergripande egenskapen hos denna tremor. Så jag tror att det var väldigt tydligt och banade väg för att göra studien [00:08:00] mer genomförbar och effektiv på något sätt. Så det är därför vi bara mätte nässpetsen av huvudskakningarna. Om vi ​​skulle analysera de många omfattande egenskaperna hos huvudskakningarna kan vi behöva använda den tredimensionella metoden eftersom huvudskakningar sker på ett tredimensionellt sätt. Men vårt mål var att mäta rytmicitet och sinusform. Så vi behövde inte mäta alla dessa egenskaper, men vi behövde härleda patientens vågform.

Genom att bara följa nässpetsen på huvudets tremor kunde vi analysera hur rytmiska eller sinusformade deras tremorvågformer är. Och vi var tvungna att utveckla våra egna parametrar för att mäta rytmiciteten och sinusformigheten, vilket har varit som trial and error. Och vi kom fram till de bästa parametrarna som kunde [00:09:00] återspegla rytmiciteten och sinusformigheten, vilket många av våra tremor- och dystoniexperter är överens om, och medförfattarna till våra artiklar. I den här studien ville vi validera om de rytmicitets- och sinusformighetsparametrar som vi beräknade är korrekta. Så vi validerade med våra interna kohorter med hjälp av gyroskopet. Vi såg att dessa parametrar matchade och från början använde vi, till exempel högfrekventa videor utan hög bildhastighet, 240 bildrutor per sekund-videor eftersom vi ville se till att vi inte kunde ha en sådan analyseffekt eftersom vi visste att videoinspelning av patienter med tremor med låg bildhastighet. Då leder analysen till de olika frekvenserna för den faktiska tremorn. Så vi använde videor med 240 bilder per sekund, men vi [00:10:00] fann så småningom att även med 30 bilder per sekund när vi nedsamplade dessa videor, visade det fortfarande en god överensstämmelse med gyroskopet. Så vi ville testa den här algoritmen på många videor, inte från vårt eget center, utan videor från hela världen. Och Dystonia Coalition gav mycket stöd för att dela dessa videor. Inte bara patienter med cervikal dystoni, utan även patienter med essentiell tremor. Och det är så vi visade fördelningen av rytmicitet och sinusform hos patienter med cervikal dystoni och essentiell tremor. Så i grund och botten är resultatet, huvudresultatet av denna studie, att vi visade fördelningen av dessa patienter med cervikal dystoni i termer av rytmicitet och sinusform, vilket objektivt mättes genom videoanalysen.

Dr. Mitra Afshari: Fattar. Så du tog något som du hade [00:11:00] tillämpat på dina djurmodeller och du tillämpade det i princip på människor.

Och du kunde testa en enkel hypotes och bekräftade verkligen den hypotesen. Så det var definitivt ett kreativt tillvägagångssätt. Och så kom du in på några av resultaten i artikeln. Så jag antar att alla vill veta, är dystoniska tremor vid cervikal dystoni, är de verkligen mindre rytmiska och mindre sinusformade? Och verkade det som att dina resultat stämde överens med den hypotesen?

Dr. Beomseok Jeon: Ja, självklart. Huvudrörelser vid cervikal dystoni är värre, mindre rytmiska och mindre sinusformade i många fall. Det är därför vissa personer i vår grupp inte ville använda termen dystoniska tremor eftersom tremor borde vara rytmiska och sinusformade. Vissa personer i vår grupp höll inte med om termen dystoniska tremor vid cervikal [00:12:00] dystoni, men det fanns vissa personer som hade rörelser vid cervikal dystoni, som hade cervikal dystoni, vilket var ganska rytmiskt och ganska sinusformat. Han valde inom intervallet essentiell tremor, vilket var början på problemet, som behöver lösas i framtiden.

Dr. Mitra Afshari: Fantastiskt. Och upplevde du att tremoramplituden specifikt påverkade dina resultat? Jag tror att det var en av variablerna som du tittade specifikt på. Kan du granska dessa resultat med oss?

Dr. Jung Hwan Shin: Ja, absolut. Det hade att göra med amplituden och vi analyserade många videor och vi fann att det finns patienter med stor amplitud. Det fanns patienter med liten amplitud och vi fann att sinusform och rytmisk index korrelerade med tremoramplituden.

[00:13:00] Om tremorn hade en stor amplitud tenderar den att vara rytmisk och sinusformad. Men i gruppen med lägre amplitud tenderar den att vara mindre sinusformad och mindre rytmisk. Men begränsningen i vår studie var att vi inte objektivt kunde mäta tremorns amplitud eftersom vi använde tvådimensionell video.

Så avståndet mellan huvudet och kameran var olika mellan individer. Om vi ​​kunde kontrollera avståndet kanske vi skulle kunna härleda amplituden objektivt. Men i den här studien kunde vi inte göra det. Så vi visade indirekt att tremoramplituden korrelerade med rytmicitets- och sinusoidalitetsindex baserat på tetraskalan och den tvetydiga tremoramplituden som härleds från patienten. Men detta har studerats i tidigare studier, inklusive många forskare, inklusive Dr. Aasef, som visar att [00:14:00] tremor faktiskt är korrelerade med sinusoidalitet och rytmicitet hos tremorna.

Dr. Mitra Afshari: Så även om det fanns vissa begränsningar i hur du härleder dessa data, verkade det du fann stämma överens med tidigare studier gällande tremoramplituden. Så det finns definitivt något där. Ett intressant fynd var att i kohorten för essentiell tremor, medan det fanns högre rytmicitet i sinusform, vilket var mer indikativt för att det var essentiell tremor, var det mindre noggrannhet mellan den videobaserade diagnosen och den faktiska kliniska diagnosen. Så den diagnostiska noggrannheten var cirka 64 % när det gällde essentiell tremor jämfört med cirka 82 % när det gällde cervikal dystoni och huvudtremor. Vad anser du om detta fynd?

Dr. Beomseok Jeon: Återigen har cervikal dystoni mindre rytmiska, mindre sinusformade huvudrörelser [00:15:00], vilket var mycket tydligt och skiljer cervikal dystoni från andra tremorsjukdomar. Men vissa patienter med dystoni hade ganska rytmiska, snarare sinusformade rörelser, egenskaper som liknar essentiell tremor. Det är därför de inte kan tillförlitligt skilja mellan essentiell tremor och cervikal dystoni enbart baserat på rytmicitet och sinusform.

Det är problemet. Det har varit problemet med huruvida patienter med cervikal dystoni kan ha rytmiska, sinusformade huvudrörelser som kan kallas tremor.

Dr. Mitra Afshari: Absolut. Och det är utmaningen som för oss tillbaka till varför dessa undersökningar görs. Så om man sammanfattar allt detta, vad tror du är budskapet från den här undersökningen? Det verkar som att ET och cervikal dystoni, huvudskakningar [00:16:00] definitivt alla är inom ett spektrum, eller hur? Hur skulle du sammanfatta budskapet från din studie idag?

Dr. Jung Hwan Shin: Okej. Som professor BJ nämnde fann vi variation i heterogenitet hos cervikal dystoni med tremor, och även hos patienter med essentiell tremor. Jag tror att den här studien visar att det i verkligheten är så att klinisk fenomenologi kan mätas subjektivt, och det är ganska svårt att enas om det, även bland experter. Det fanns en ganska intressant artikel av Elan Louis där man använde videor av fem patienter och bad sju MDS-experter att diagnostisera om det var essentiell tremor eller ryckig dystoni. Och [00:17:00] alla experter diagnostiserade dessa patienter inom olika fenomenologier. Vissa experter sa att alla dessa patienter har ryckig dystoni, och vissa experter sa att de alla har essentiell tremor. Andra experter var däremellan. Så vi kan se att det i verkligheten skulle vara mycket svårt.

Även om vi har definitionen av varje fenomenologi skulle det vara mycket svårt. Så jag tror att det skulle kunna ge ledtrådar och antydningar för att lösa dessa diskussioner och kontroverser att använda objektiva mått. Jag tror att det skulle vara mycket svårt att bara fördjupa sig i en specifik fenomenologi baserat på att enbart använda rytmicitet och sinusform. Vi skulle kunna ha ett objektivt mått, men med detta skulle vi kunna använda andra kliniska antydningar som sensoriska trick eller positioner. Tillsammans skulle vi kunna göra en mer [00:18:00] behaglig beskrivning av fenomenologin. För mig tror jag att användningen av den senaste avancerade digitala tekniken med beskrivningen av symtomen skulle kunna vara mycket användbar på många sätt. Vi skulle kunna ha en liknande fördelning som visas i vår resultattabell. Och vi skulle kunna starta diskussioner därifrån. Så det är vad vi ville föreslå för fältet när det gäller denna tremor. En av de saker vi har gjort, relativt ny i den här studien, är att vi härledde sinusformalitetsindexet. Rytmisk index har studerats och många parametrar har utvecklats under åren, men sinusoidalitetsindex föreslogs nyligen i den här studien. Anledningen till att vi kunde göra det var att vi använde videobaserad analys. Vi kunde faktiskt få vågformen av tremorn. Och det är [00:19:00] därför vi kunde härleda sinusoidalitetsindex, vilket står för de två grundläggande definitionerna av tremor. Den bör vara en rytmisk och en sinusformad, och med hjälp av den nyligen utvecklade digitala tekniken tror jag att dessa metoder skulle kunna tillämpas på många andra fenomenologiska och kontroversiella delar av rörelsestörningar också.

Dr. Mitra Afshari: Absolut. Jag tror att du känner till dessa 2D-videobaserade analyser. Även om de är väldigt enkla, är de verkligen ett kraftfullt verktyg att lägga till i din verktygslåda när du ställer diagnoser och i slutändan så att vi kan ställa de mest exakta diagnoserna och utveckla mer riktade och effektiva behandlingar. I den här undersökningen tittade du bara på nästippen. Men du antydde detta tidigare att man, om man blickar framåt, potentiellt skulle kunna härleda andra mått även från de där 2D-baserade videorna. Stämmer det? Andra rörelser eller [00:20:00] axlar som du... Det skulle kunna ge ytterligare information som kan bidra till en diagnos. Är detta något som din grupp arbetar med just nu eller funderar på att eventuellt undersöka i framtiden med dystonistudiegruppen.

Dr. Jung Hwan Shin: Definitivt. Som vi nämnde fokuserade vi bara på nästippen. Den främsta anledningen var att vi ville se sinusformen och rytmiciteten hos huvudskakningarna. Det finns många andra modeller med videobaserad analys som kan modellera huvudets tredimensionella egenskaper och använda dem för att bedöma vridvinklar i termer av huvudlutning, huvudrotation och så vidare. Så det finns många omfattande sätt att analysera dystoniska skakningar i huvudet eller till och med i handen. Så vi är mycket intresserade av att driva detta projekt framåt med hjälp av dessa omfattande metoder och hoppas kunna utveckla mer nyanserade och bättre algoritmer i framtiden [00:21:00] för att beskriva dessa komplexa fenomenologier.

Dr. Mitra Afshari: Tack så mycket Dr. Shin, Dr. BJ. Det här var verkligen en utmärkt diskussion idag. Vi vill tacka hela ert team för arbetet med det här projektet, hela dystonistudiegruppen för allt arbete ni har gjort, och vi vill tacka er för att ni tar er tid från era hektiska scheman att prata med oss. Jag är säker på att det inte är lätt att förmedla metoderna i den här forskningsundersökningen i det här forumet, men ni båda gjorde ett fantastiskt jobb. Så jag vill tacka er och vi ses nästa gång, hej då.

Dr. Beomseok Jeon: Adjö.

Dr. Jung Hwan Shin: Tack. [00:22:00] [00:23:00]