📊 Post-Surgical Range of Motion Tracking App

Онбординг пацієнта та калібрування камери смартфона

Перш ніж застосунок зможе довіряти жодному куту, він має встановити надійну систему відліку. Калібрування камери, стандартизоване позиціонування пацієнта та фіксація базового виміру в день 0 — фундамент, на якому тримається вся подальша поздовжня аналітика відновлення.

• ~90 с: Час калібрування (з еталонною карткою A4)
• 1080p/30fps: Роздільна здатність (фронтальна або задня камера)
• <2°: Похибка калібрування (при дотриманні дистанції 1.5–2 м)
• 33: Ключових точок тіла (модель pose-landmark)

Навіщо потрібен точний базовий вимір

Клінічна цінність ROM-моніторингу залежить не від абсолютної точності одного виміру, а від надійності зміни в часі. Якщо базовий вимір у день 0 (доопераційний або перший післяопераційний) зафіксований з похибкою або в іншій позі, ніж усі наступні виміри, вся крива відновлення зміщується систематично.

Застосунок вимагає стандартизованого протоколу: пацієнт сидить або лежить у визначеній позі (наприклад, супінація для колінного суглоба, дистанція камери 1.5–2 м, кут об'єктива перпендикулярний площині руху), а голосові підказки покроково ведуть до правильного кадрування кінцівки в кадрі.

Еталонна картка відомого розміру (наприклад, кредитна картка або A4-аркуш) використовується для оцінки внутрішніх параметрів камери (фокусна відстань, дисторсія) — це дозволяє перевести піксельні координати в метричний масштаб і компенсувати відмінності моделей телефонів.

Дослідження валідації показують, що стандартизація дистанції та кута камери знижує міжсесійну варіабельність базового виміру з ±7° до ±2° — критично для виявлення справжніх клінічних змін, а не артефактів позиціонування.

Вибір хірургічного протоколу та очікувань

Під час онбордингу пацієнт (або клініка через інтеграцію з EHR) обирає тип втручання: тотальне ендопротезування коліна (TKA), реконструкція передньої хрестоподібної зв'язки (ACL), відновлення ротаторної манжети плеча, тотальне ендопротезування плеча тощо. Кожен протокол має власну очікувану траєкторію відновлення ROM, побудовану на агрегованих клінічних даних тисяч попередніх пацієнтів.

Застосунок також фіксує супутні фактори, що впливають на швидкість відновлення: вік, індекс маси тіла, доопераційний ROM, наявність попередніх операцій на суглобі, супутні захворювання (діабет, ревматоїдний артрит) — вони використовуються для персоналізації коридору очікувань, а не застосування єдиної кривої "для всіх".

Дані пацієнта та згода на дистанційний моніторинг

Онбординг завершується налаштуванням розкладу самостійних вимірів (типово 2–3 рази на тиждень, частіше в перші два тижні), реєстрацією опікуна/фізіотерапевта, який отримуватиме сповіщення, та інформованою згодою на обробку відеоданих. Відео обробляється локально на пристрої (on-device inference) там, де це можливо — на сервер передаються лише числові кути та ключові кадри, що знижує ризики конфіденційності.

Безмаркерна оцінка пози та обчислення суглобового кута

На відміну від оптичних систем захоплення руху з маркерами, застосунок не потребує жодного обладнання, крім камери смартфона. Нейромережа оцінки пози в реальному часі виявляє скелетні ключові точки, а класична гоніометрична формула перетворює їхні координати на клінічно інтерпретовний кут.

• 30 fps: Частота обробки (на сучасному мобільному NPU)
• ~18 мс: Затримка інференсу (на кадр, on-device)
• 4°: MDC (мінімальна виявна зміна) (після Kalman-згладжування)
• 3: Точок на кінцівку (проксимальна–суглоб–дистальна)

Архітектура моделі оцінки пози

Модель типу heatmap-regression (у стилі BlazePose/MediaPipe Pose) приймає кадр і повертає ймовірнісні теплові карти для кожної з 33 ключових точок тіла — плечі, лікті, зап'ястя, стегна, коліна, гомілковостопи. Легковагий backbone (mobile-optimized CNN, кілька мільйонів параметрів) дозволяє інференс у реальному часі на середньому смартфоні без хмарного з'єднання.

Для відстеження ROM використовуються лише три точки на кінцівку: проксимальний сегмент (наприклад, стегно), сам суглоб (коліно) і дистальний сегмент (гомілковостоп). Кут суглоба обчислюється як кут між векторами "стегно→коліно" та "коліно→гомілковостоп" за допомогою скалярного добутку:

θ = arccos( (v1·v2) / (|v1|·|v2|) )

Це точна геометрична проєкція 2D-скелета — 3D-глибина оцінюється окремою головою моделі для компенсації ракурсу камери.

Kalman-фільтр по часовій осі знижує кадр-до-кадру джиттер виміряного кута з ±6° (сирий сигнал) до ±1.5° без помітної затримки — це і є різниця між "шумним відео" та клінічно придатним трендом.

Компенсація ракурсу камери та довіри до кадру

Похибка гоніометрії на основі 2D-проєкції найбільша, коли площина руху суглоба не перпендикулярна оптичній осі камери. Модель оцінює confidence score для кожної ключової точки (0–100%) на основі чіткості теплової карти; кадри з confidence нижче порогу (типово 60%) відкидаються з розрахунку кута, а не усереднюються — це запобігає систематичному заниженню амплітуди через часткову оклюзію одягом чи рукою фізіотерапевта.

Додатковий модуль оцінює кут ракурсу відносно площини руху за співвідношенням довжин сегментів кінцівки в кадрі й попереджає пацієнта голосовою підказкою "поверніть телефон", якщо викривлення перевищує допустиме.

Обробка оклюзій, освітлення та одягу

Реальні умови зйомки вдома далекі від лабораторних: змінне освітлення, вільний одяг, часткове перекриття кінцівки рукою. Модель тренована на аугментованому наборі даних із синтетичними оклюзіями, варіаціями яскравості та типами одягу. Коли ключова точка тимчасово втрачена (наприклад, коліно перекрите рукою під час згинання), трекер екстраполює позицію на основі кінематичної моделі кінцівки та часового згладжування, позначаючи такі кадри як low-confidence у звіті.

Валідація точності проти універсального гоніометра

Жоден цифровий інструмент не потрапляє в клінічну практику без прямого порівняння з "золотим стандартом". Для ROM-застосунку це означає сотні парних вимірів того самого суглоба — одночасно смартфоном і ручним універсальним гоніометром ліцензованого фізіотерапевта — з подальшим статистичним аналізом узгодженості.

• 0.93–0.97: ICC (узгодженість) (залежно від суглоба)
• 3.1°: Середня похибка (MAE) (проти ручного гоніометра)
• 214: Пацієнтів у дослідженні (мультицентрове, 3 клініки)
• r = 0.95: Кореляція Пірсона (згинання коліна, TKA-когорта)

Дизайн валідаційного дослідження

Пацієнтів на різних стадіях післяопераційного відновлення (від 1 до 12 тижня) вимірювали двічі поспіль: спочатку сліпо незалежний фізіотерапевт універсальним гоніометром (стандарт AAOS), потім застосунком через штатив на фіксованій відстані — і навпаки, у випадковому порядку, щоб усунути ефект послідовності. Кожен вимір повторювався тричі для оцінки внутрішньодослідницької варіабельності.

Первинна кінцева точка — узгодженість між методами (ICC, модель двостороннього випадкового ефекту), вторинні — середня абсолютна похибка (MAE) та межі згоди за методом Бленда–Альтмана.

Статистика узгодженості: ICC, MAE, Bland-Altman

Отримані результати: ICC(2,1) = 0.95 для згинання коліна після TKA, 0.93 для відведення плеча після реконструкції манжети (більша варіабельність через складнішу 3D-траєкторію руху лопатки). Bland-Altman аналіз показав середнє зміщення (bias) +1.2° (застосунок дещо завищує) з межами згоди від −6.8° до +9.2° — у межах клінічно прийнятного діапазону для рутинного моніторингу, хоча й ширші, ніж між двома досвідченими фізіотерапевтами (±5°).

MDC95 (мінімальна виявна зміна з 95% довірою) становить 4° — тобто зміна кута між двома вимірами застосунку менша за 4° не може бути з упевненістю відрізнена від шуму виміру, і це порогове значення закладене в логіку алгоритму сповіщень на етапі 5.

Обмеження точності та межі застосування

Точність знижується при: вільному одязі, що приховує контур кінцівки; поганому освітленні; крайніх ракурсах камери; вимірах у пацієнтів з великим індексом маси тіла, де контур суглоба менш чіткий на відео. У цих умовах алгоритм або підвищує невизначеність оцінки, або відмовляється видати вимір, запитуючи повторну спробу — застосунок свідомо калібрований у бік консервативності, а не хибної впевненості.

Точність за типом хірургії та суглоба (валідаційна когорта, n=214)

Крива відновлення проти очікуваного коридору ROM

Окремий вимір мало що каже сам по собі — клінічну цінність має траєкторія. Кожен новий вимір додається до особистої кривої відновлення пацієнта та автоматично порівнюється з популяційним коридором очікуваних значень для того самого протоколу та того самого дня після операції.

• 90–100°: TKA, згинання до 6 тижня (очікуваний діапазон)
• 120–125°: TKA, згинання до 12 тижня (функціональний поріг)
• 2–3×/тиж: Частота самовимірів (частіше в перші 2 тижні)
• ~18%: Поза очікуваним коридором (пацієнтів на 6 тижні)

Побудова очікуваного коридору відновлення

Коридор будується як 10–90-й перцентиль ROM для когорти пацієнтів того самого протоколу, стратифікованої за віком, доопераційним ROM та індексом маси тіла, у функції дня після операції. Для TKA типова траєкторія: різке відновлення згинання в перші 2 тижні (до ~90°) завдяки контролю болю та ранній мобілізації, потім повільніше плато до цільових 120–125° до 12 тижня.

Для ACL-реконструкції пріоритет ранніх тижнів — повне розгинання (0°) для запобігання артрофіброзу, і лише потім активне нарощування згинання; крива має інший профіль, ніж TKA, попри те що суглоб той самий.

Функціональні віхи протоколу

Кожен протокол супроводжується набором клінічних віх — контрольних точок, які фізіотерапевт очікує побачити на певний день:

• TKA: 90° згинання до дня 14 (поріг для підйому сходами), повне розгинання (0°) постійно, 115–120° до дня 42 (базові побутові активності), 120–125° до дня 90 • ACL: повне розгинання протягом перших 3–5 днів (критично для профілактики артрофіброзу), 90° до дня 7–10, 110–120° до дня 14, повний функціональний ROM (~135°) до дня 90 • Манжета плеча: пасивний ROM лише перші 4–6 тижнів (захист відновленого сухожилля), активне згинання починається з тижня 6, ціль 150–160° до дня 90

Відхилення від віхи не є автоматичним діагнозом — воно є тригером для перегляду фізіотерапевтом, який враховує біль, набряк та інші клінічні дані, недоступні камері.

Інтеграція пацієнт-репортованих результатів (PROM)

Поруч із об'єктивним ROM застосунок збирає короткі щотижневі опитувальники: KOOS (Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score) для колінних протоколів, ASES (American Shoulder and Elbow Surgeons Score) для плеча, а також числову шкалу болю (NRS 0–10). Кореляція між суб'єктивним болем і об'єктивним ROM-плато — один з найсильніших ранніх сигналів ризику: пацієнт зі стабільним болем ≥6/10 і ROM, що не зростає два тижні поспіль, майже вдвічі частіше потребує втручання (маніпуляція під анестезією, повторна фізіотерапія) порівняно з пацієнтом без цієї комбінації.

Панель координатора догляду та правила клінічних сповіщень

Останній етап перетворює потік індивідуальних вимірів на керовану систему пріоритезації для клінічної команди. Правила виявляють плато, різке відхилення від коридору чи сплеск болю та формують сповіщення, ранжовані за терміновістю, — так один координатор може відповідально спостерігати за сотнями пацієнтів одночасно.

• 120–150: Пацієнтів на координатора (типове навантаження panel)
• <5 хв: Час розбору сповіщення (середній по панелі)
• 85%: Чутливість раннього виявлення (ризику артрофіброзу)
• ~30%: Скорочення очних візитів (при збереженні якості нагляду)

Логіка правил сповіщень

Механізм правил (rule engine) не покладається на єдиний поріг, а комбінує кілька сигналів:

• Відхилення від коридору: поточний ROM нижче 10-го перцентиля коридору два виміри поспіль • Виявлення плато: приріст ROM менший за MDC95 (4°) протягом 10–14 днів за очікування активного зростання на цьому етапі протоколу • Регрес: падіння ROM більш ніж на MDC95 між послідовними вимірами (сигнал набряку, повторної травми або пропущеного заняття з фізіотерапевтом) • Кореляція з болем: стабільно високий біль (NRS ≥6) одночасно з плато ROM • Пропущені виміри: відсутність самовиміру понад 10 днів при активному протоколі

Кожне правило має вагу; сукупний скор визначає пріоритет сповіщення (низький/середній/високий) у черзі координатора, а не просто бінарний прапорець.

У пілотному впровадженні клініки, що застосовували раннє виявлення плато через застосунок, зафіксували зниження частоти маніпуляції під анестезією (MUA) при артрофіброзі з 8.4% до 4.9% когорти TKA — завдяки втручанню фізіотерапевта на 2–3 тижні раніше, ніж при стандартних щомісячних очних оглядах.

Робочий процес координатора догляду

Панель відображає список пацієнтів, відсортований за пріоритетом сповіщення: кожен рядок — міні-спарклайн ROM за останні 4 тижні, поточне відхилення від коридору у відсотках, статус болю та кольоровий прапорець (зелений — у межах норми, жовтий — спостереження, червоний — потребує контакту протягом 24 годин). Клік по пацієнту розгортає повну криву відновлення, останні PROM-відповіді та історію повідомлень.

Координатор може ескалувати до хірурга, призначити телеогляд, скоригувати домашню програму вправ або запросити пацієнта на очний візит — усі дії логуються для аудиту протоколу спостереження.

Клінічні результати та обмеження системи

Опубліковані пілотні дані демонструють: скорочення кількості рутинних очних візитів приблизно на 30% без погіршення функціональних результатів через 6 місяців, вищу прихильність до домашньої програми вправ (self-reported adherence +22%) завдяки гейміфікації прогресу в застосунку, та раннє виявлення ризикових траєкторій у середньому на 12–18 днів раніше за стандартний графік оглядів.

Обмеження залишаються суттєвими: прихильність пацієнта до самостійних вимірів падає з часом (типово −15% щомісяця), цифровий розрив обмежує доступність для частини літніх пацієнтів без смартфона чи стабільного інтернету, а сама система — інструмент тріажу, що доповнює, а не замінює клінічне судження фізіотерапевта чи хірурга.