᪩✄⏣ᏛᏛ㝔 ඛ㐍⌮ᕤᏛ◊✲⛉
༤
༤ኈㄽᩥᑂᰝሗ࿌᭩
ㄽ ᩥ 㢟 ┠
Development of an EMG+IMU Driven Musculoskeletal Model and its Applications
in Medical Training Assessment
➽㟁ሗጼໃሗࡶ࡙ࡃ➽άື᥎ᐃ
ࣔࢹࣝࡢ㛤Ⓨࡑࡢ་⒪ᡭᢏホ౯ࡢᛂ⏝
⏦ ㄳ ⪅
ࣂࣝࢺ࣓ࣟ࢜ ࣝ࢝
Luca BARTOLOMEO
⏕⌮ᕤᏛᑓᨷ ࣂ࣭࢜ࣟ࣎ࢸࢡࢫ◊✲
2013 ᖺ 7 ᭶
1
T h e m a i n o b j e c t i v e o f m e d i c a l e d u c a t i o n i s t o g u a r a n t e e t h a t g r a d u a t i n g m e d i c a l s t u d e n t s a r e c o m p e t e n t t o p r a c t i c e i n t h e i r s e l e c t e d f i e l d a n d t h at t h e p r e p a r a t i o n a mo n g t h e m i s i n d e pe n d e nt o f t h e me d i ca l s c h o ol . T h e e v a l u a t i o n o f t h e i r c o m p e t e n c y i s g e n e r a l l y a s s e s s e d b y s k i l l e d i m p a r t i a l o b s e r v e r s , c a l l e d a s s e s s o r s , j u d g i n g h o w w e l l t h e t r a i n e e i s p e r f o r m i n g t h e t a s k . H o w e v e r, t h e r e i s a h i g h r i s k o f t h e a s s e s s o r s s u b j e c t i v e l y i n t e r p r e t i n g t h e r e s u l t s , w i t h t h e o u t c o m e d e p e n d i n g o n t h e i r o w n b a c k g r o u n d , s k i l l , a n d e x p e r i e n c e . T h i s m a k e s t h e e v a l u a t i o n h i g h l y v a r i a b l e f r o m p l a c e t o p l a c e , a n d f r o m a s s e s s o r t o a s s e s s o r . A d d i t i o n a l l y , i t i s d i f f i c u l t t o s e c u r e t h e t i m e o f s e n i o r s u r g e o n s ( t h e b e s t a s s e s s o r s ) , b e c a u s e t h e y a r e e x t r e m e l y b u s y w i t h t h e i r o w n w o r k a n d n o t a l l f a c i l i t i e s c a n c o u n t o n s u c h s k i l l e d p e r s o n n e l . T h e i n c r e a s e d c o m p l e x i t y o f m o d e r n m e d i c a l t e c h n o l o g i e s a n d e q u i p m e n t h a s m a d e a s s e s s m e n t e v e n m o r e p r o b l e m a t i c . Ye t i t i s c l e a r t h a t u n i f o r m l y g o o d p r e p a r a t i o n c a n n o t b e g u a r a n t e e d w i t h o u t a n o b j e c t i v e e v a l u a t i o n o f p r a c t i c a l c o m p e t e n c y.
I n t h i s t h e s i s , t h e c r e a t i o n o f a c o m m o n , o b j e c t i v e s k i l l e v a l u a t i o n s y s t e m f o r m u l t i p l e m e d i c a l a p p l i c a t i o n s i s p r e s e n t e d . T h e s p e c i f i c g o a l o f t h i s w o r k i s t o d e v e l o p a n e w E M G + I M U d r i v e n m u s c u l o s k e l e t a l m o d e l f o r t h e o b j e c t i v e a s s e s s m e n t o f m e d i c a l s k i l l s , a n d t o p r o v i d e i t t o t h e a s s e s s o r s , s u p p o r t i n g t h e i m p a r t i a l e v a l u a t i o n a n d c o a c h i n g o f t h e t r a i n e e s .
T h i s t he s i s i s co mp o s e d b y s e ve n c h a pt e r s , w h i c h a r e s u m ma r i z e d a s b el o w.
I n C h a p t er 1 , t h e r e s e ar c h b a c kgr o u n d w i t h a d et a i l e d a na l ys i s o f t h e st a t e of t h e ar t o f r el at e d r e se a r c h es o n t h e a s s es s me n t f o r me d i c al o p e r a t i ve s ki l l e va l u a t i o n i s p r e s e nt e d . F o l l o w i n g , t h e t w o ma i n l i mi t at i o ns f o r t h e a p pl i c at i o n o f E M G + I M U d r i v e n m u s c u l o s k e l e t a l m o d e l s i n r e a l f i e l d s a r e d e s c r i b e d : t he f i r st i s t h e w o r k s p a c e l i mi t at i o n , be c a u se u s ua l l y o pt i ca l t r ac ki n g s ys t e ms a r e u s ed ; t h e s ec o n d i s t h e l a c k o f t r u e r e al -t i me c a p ab i l i t y.
T h e t h es i s i s t h e n d i vi d e d i n t w o ma i n p a r t s . Pa r t I, c o mp o s e d b y C h a p t e r s 2 -4 , i n t r o d u c e s t h e de ve l o p me n t o f t h e h ar d w a r e t o o ve r c o me ma i n l y t h e f i r st l i mi t a t i o n , a n d t h e i mp l e me n t a t i o n o f t he p r o p o s ed E M G + I M U d r i v e n m u s c u l o s k e l e t a l m o d e l , w h i c h d e a l s w i t h t h e s e c o n d l i m i t a t i o n . P ar t I I i s d e di c a t e d t o t h e e va l u at i o n o f me d i c a l o p er a t i ve s ki l l s b a s ed o n a n a l ys i s o f s u bj e ct s’ u p p er b o d y b i o me c h a n i c s i n l a p a r o s c o pi c a n d a i r w a y t r ai n i n gs , a n d i t i s c o mp o s e d b y t h e C h a pt er s 5 -7 .
C h a pt e r 2 b e gi n s w i t h a d e s cr i pt i o n o f t h e W B -4 R IM U s ys t e m, b as e d o n a h yb r i d w i r e d -w i r el e s s a pp r o a ch , w i t h a b at t er y a bl e t o su s t ai n e x p e r i me n t s u p t o f i ve h o ur s ve r s u s t h e o n e h o ur o f a ut o n o m y o f t h e p r e vi o u s ve r si o n , c al l e d W B -4 . F o l l o w i n g, a n o r i gi n al me t h o d f o r t he o n l i n e c al i br a t i o n o f t h e ma gn e t i c se n s o r i s i n t r od u c e d : i t i s u s e d t o ma ke t h e s e n s or mo r e r o b us t t o t h e p r e s e nc e o f e x t e r n al f e r r o ma gn e t i c ma t er i al i nt e r f e r en c e , w i t h t he a d d i t i on a l a d va nt a ge o f r e al t i me
2
c ap a b i l i t y. T he r e s ul t s s h o w t h at t h e p r o p o s ed a l go r i t h m h a s a n a ve r a ge e r r or t h r e e t i me s s ma l l er t ha n s t a n d a r d o ff l i n e c al i br at i o n . Fi n al l y, a n a l g o r i t h m f o r t h e j oi n t a n gl e es t i ma t i o n i s p r e s e nt e d , b as e d o n E xt e n d e d K al ma n F i l t e r.
I n C h a p t e r 3 , t h e d e ve l o p me n t o f a n e w w i r el e s s s ur f ac e E l e c t r o myo gr a p h y ( s E M G ) s e ns o r, n a me d W B - E M G , a n d t he e x p e r i me n t a l r e s ul t s f or i t s c ha r a ct er i za t i on a r e p r e s e nt e d . W B -E M G , b y u s i n g t h e s a me c o m m u n i ca t i o n p r o t o c ol of t he W B -4 R , i s t he f i r st E M G + 9 -a x i s IM U w o r ki n g t o ge t h e r a n d f u l l y s yn c h r o ni ze d i n t h e w o r l d . A d d i t i o na l l y, t hi s c h a p t e r t ac kl e s a p r o b l e m t h a t u s u a l l y a ff e ct s t h e s E M G s i gn al : t he b a s el i n e n oi s e . A n o ve l me t h o d t o d e n oi s e r ea l -t i m e t h e s EM G s i gn a l us i n g t h e s a me b a se l i n e t o e s t i ma t e t h e t h r e s h ol d s of t he Wa ve l e t d e no i si n g a l go r i t h m, n a me d B a s e l i n e A d a pt i ve D e n o i s i n g A l go r i t h m ( B A D A ) i s p r e s e nt e d . T he B A D A i s ve r i f i e d f or t h e p e g - b o a r d t r a i ni n g : t he e x pe r i me n t a l r e s u l t s s ho w t h at B A D A c a n r e d u c e t h e n oi s e b y o ve r 1 0% c o mp a r e d t o t h e ma i n st a n d ar d d e n oi si n g a l go r i t h ms , w i t h o ut i m p ac t i n g t h e s i gn a l or i gi n a l s h a p e .
I n C h a p t er 4 , t h e p r o p os e d n e w s E M G + I M U d r i ve n mu s c u l o s ke l e t a l mo d e l i s d es c r i b e d i n d et a i l s . T h e mo t i o n a n d t h e mu s c l e a ct i va t i o n a r e t h e i n p ut o f t h e mo d e l ; t he o u t p ut i s t h e e s t i ma t i o n o f t h e f o r c e . T h e pr e s e nt e d o r i gi n a l al go r i t h m i s a si mp l i f i ca t i o n o f s t a n da r d al go r i t h m: t h e r el a t i o n b et w e e n t h e mu s c l e s p ar a me t er s a n d t he j o i nt a n gl es a r e e st i ma t e d a pr i o r i b y a q u a dr a t i c f i t t i n g f u n c t i o n . T hi s e st i ma t i o n al l o w s r e d u ci n g t h e c o mp u t a t i o n al t i me o f t h e f o r c e c al c ul a t i o n f r o m f e w s e co n d s us i n g s t a n da r d a l go r i t h ms t o f e w mi l l i s e co n d s . T h e s h or t c o mp u t a t i o n al t i me a l l o w s r ea c h i n g r e al t i me p e r f o r ma n c e . T he c ha p t er c l o se s w i t h t h e e x p er i me n t a l va l i d at i o n o f t he mo d e l f o r wr i st f l e x i on / e xt e n si o n .
I n C h a p t e r 5 t h e p r o p o s e d s EM G + IM U d r i ve n mu s c u l o s ke l et al mo d e l i s u s e d t o e v a l u a t e t h e e x p e r t a n d n o vi c e s u r g e o n s ’ o p e r a t i v e s k i l l s d u r i n g r e g u l a r l a p a r o s c o p i c t r a i n i n g t a s k s . I n c o l l a b o r a t i o n w i t h K y u s h u U n i v e r s i t y M e d i c a l D e p a r t m e n t , t h i s i s t h e f i r s t w o r k i n t h e w o r l d a s s e s s i n g a c o m p l e x c u r r i c u l u m b a s e d o n d r y b o x e s , Vi r t u a l R e a l i t y a n d i n - v i v o s u r g i c a l t r a i n i n g s . T h e r e s u l t s s h o w s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n f o r c e u t i l i z a t i o n b e t w e e n t h e n o v i c e a n d e x p e r t s u r g e o n s , a s w e l l a s b e t w e e n t h e t r a i n i n g t a s k s .
I n C h a p t e r 6 , t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p r o p o s e d e v a l u a t i o n s y s t e m i n c a s e o f i n d u c e d m e n t a l s t r e s s d u r i n g l a p a r o s c o p i c t r a i n i n g i s p r e s e n t e d . S t a n d a r d t r a i n i n g s a r e c a r r i e d o u t t o i m p r o v e o n l y t h e m a n u a l s k i l l o f t h e d o c t o r s , w i t h o u t a n y a d d i t i o n a l m e n t a l s t r e s s , t h a t i s a c t u a l l y p r e s e n t d u r i n g t h e r e a l o p e r a t i o n . I n t h i s c h a p t e r a n o v e l p r o t o c o l t o i n d u c e m e n t a l s t r e s s i s i n t r o d u c e d a n d v e r i f i e d e x p e r i m e n t a l l y b y t h e p r o p o s e d s y s t e m c o m p o s e d b y t h e I M U a n d s E M G . T h e r e s u l t s s h o w f i n a l l y t h a t t h e i n d u c e d m e n t a l s t r e s s h a d s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n t h e l e a r n i n g c u r v e a n d n u m b e r o f e r r o r s , t h u s p r o v i n g t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e
3 p r o p o s e d p r o t o c o l .
I n C h a p t e r 7 t h e p r o p o s e d s E M G + IM U d r i ve n mu s c u l os ke l e t al mo d e l i s a p p l i e d t o t h e e n d o t r a c h e a l i n t u b a t i o n m e d i c a l p r a c t i c e . T h e v a l i d a t i o n o f t h e s y s t e m h a s b e e n c a r r i e d o u t w i t h o n e e x p e r i m e n t i n w h i c h a p r o f e s s i o n a l p h y s i c i a n h a s t r i e d t h r e e d i ff e r e n t l a r y n g o s c o p e s , o n e s t a n d a r d a n d t w o w i t h a v i d e o - c a m e r a . R e s u l t s p r e s e n t s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e i n m u s c l e s t r e s s b e t w e e n t h e s t a n d a r d l a r y n g o s c o p e a n d m o d e l s e q u i p p e d w i t h a v i d e o - c a m e r a . I n p a r t i c u l a r, t h e l a r y n g o s c o p e s w i t h v i d e o - c a m e r a s e e m t o f a c i l i t a t e t h e w o r k o f t h e p h y s i c i a n s f r o m b i o m e c h a n i c a l p o i n t o f v i e w, e s p e c i a l l y d u r i n g t h e i n s e r t i o n o f t h e t u b e .
F i n a l l y, C h a p t e r 8 g e n e r a l l y d i s c u s s e s t h e o v e r a l l r e s u l t s o f t h i s t h e s i s , a n d p r o p o s e s s o m e p o s s i b l e d i r e c t i o n s f o r t h e c o n t i n u a t i o n o f t h i s w o r k .
I n c o n c l u s i o n , t h i s t h e s i s d e m o n s t r a t e s a n o v e l m e t h o d o l o g y f o r d e v e l o p i n g a c o m m o n a n d o b j e c t i v e m e d i c a l s k i l l e v a l u a t i o n s y s t e m b a s e d o n m u s c l e f o r c e a n a l y s i s . T h e c o m b i n a t i o n o f m o t i o n i n f o r m a t i o n a n d m u s c l e a c t i v a t i o n i n f o r m a t i o n h a s b e e n u s e d t o d e v e l o p a b i o m e c h a n i c a l m o d e l f o r t h e e s t i m a t i o n o f t h e a p p l i e d f o r c e , a n d e v e n t u a l l y t h e j o i n t t o r q u e . T h e p e r f o r m a n c e v a l i d a t i o n i n s u r g e r y a n d c l i n i c a l p r a c t i c e p r o v e s t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d o l o g y i s a n e ff e c t i v e a n d p r o m i s i n g t o o l f o r r e a l i z i n g a c o m m o n s k i l l e v a l u a t i o n s y s t e m f o r v a r i o u s m e d i c a l s c e n a r i o s .
T h i s r e s e a r c h c o n t r i b u t e s i n p r o v i d i n g a g e n e r a l s o l u t i o n o f e v a l u a t i n g o p e r a t i v e s k i l l p e r f o r m a n c e i n v a r i o u s m e d i c a l s c e n a r i o s , t h u s r e a l i z i n g b e t t e r m e d i c a l s a f e t y f o r t h e p a t i e n t s . T h i s w i l l r e s u l t i n r e d u c i n g t h e f i n a n c i a l b u r d e n t o h o s p i t a l s f o r p u r c h a s i n g d i ff e r e n t k i n d s o f s k i l l e v a l u a t i o n s y s t e m s , i n o r d e r t o a s s e s s d o c t o r s ’ s k i l l s i n d i ff e r e n t m e d i c a l a r e a s . T h e w i d e a p p l i c a b l e s c o p e s o f t h i s s t u d y a r e n o t l i m i t e d t o m e d i c a l f i e l d s , b u t c a n b e a l s o f u r t h e r i m p l e m e n t e d a n d c o n t r i b u t e d i n o t h e r a p p l i c a t i o n s , s u c h a s s p o r t p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n , r e h a b i l i t a t i o n , e n t e r t a i n m e n t , a n d s o o n . F o r a l l t h e a b o v e r e a s o n s , t h i s d i s s e r t a t i o n i s e l i g i b l e f o r t h e a p p l i c a t i o n f o r D o c t o r o f E n g i n e e r i n g .
2 0 1 3 ᖺ 7 ᭶
( ᰝ) ᪩ ✄ ⏣ Ꮫ ᩍ ᤵ ᕤ Ꮫ ༤ ኈ (᪩ ✄ ⏣ Ꮫ) 㧗 す ῟ ኵ
᪩ ✄ ⏣ Ꮫ ᩍ ᤵ ᕤ Ꮫ ༤ ኈ (᪩ ✄ ⏣ Ꮫ) ᱵ ὠ ග ⏕
་ Ꮫ ༤ ኈ (ᮾ ி ዪ Ꮚ ་ ⛉ Ꮫ)
᪩ ✄ ⏣ Ꮫ ᩍ ᤵ ༤ ኈ(ᕤ Ꮫ) (᪩ ✄ ⏣ Ꮫ) ⸨ Ụ ṇ ඞ
᪩ ✄ ⏣ Ꮫ ᩍ ᤵ ༤ ኈ(ᕤ Ꮫ) (᪩ ✄ ⏣ Ꮫ) ⸨ ᮏ ᾈ ᚿ
᪩ ✄ ⏣ Ꮫ ᩍ ᤵ P h D (⪷ ࣥ ࢼ Ꮫ 㝔 Ꮫ 㸧 ࢮ ࢵ ࢝
࣐ ࢵ ࢩ ࣑ ࣜ ࣮ ࣀ
