Reliabilita merania uhlov v rôznych polohách kĺbu: goniometer verzus fotogrametrický software

Zámerom štúdie bolo empiricky overiť reliabilitu autorského fotogrametrického softwaru na meranie uhlov v rôznych polohách kĺbu a porovnať ju s reliabilitou goniometra štandardne využívaného vo fyzioterapeutickej praxi pri diagnostike rozsahu pohybu v kĺbe. Pilotný komparačný výskumu bol realizovaný na vzorke 27 probantov (študentov fyzioterapie), pričom boli merané uhly v troch kĺboch pomocou softwaru aj goniometra. Opakované meranie uhlu v jednom kĺbe realizovalo 20 probantov s časovým odstupom 2 týždňov od prvého merania. Oba overované aspekty reliability – interrater aj intrarater – sa na základe štatistických ukazovateľov (priemerné odchýlky merania, korelačné koeficienty zhody meraní v čase) javia byť vyššie pri meraní pomocou fotogrametrického softwaru v porovnaní s goniometrom.

Klúčové slová:
fyzioterapeutická diagnostika, meranie uhlov, rozsah pohybu v kĺbe, fotogrametrický software, goniometer, reliabilita

ÚVOD

Diagnostika rozsahu pohybu prostredníctvom merania uhlov v rôznych polohách jednotlivých kĺbov patrí k základným metódam vyšetrovania pohybového aparátu využívaným vo fyzioterapii, ale aj v iných zdravotníckych oboroch (rehabilitácia, ortopédia, traumatológia). V rámci fyzioterapeutickej diagnostiky sa najčastejšie pre tento účel používa goniometrická metóda a ako merací nástroj uhlomer s dvoma pohyblivými ramenami – goniometer. Uvedená metóda merania je rýchla, ale zároveň je považovaná za relatívne nepresnú (4).

Cieľom štúdie bolo na základe teoretických východísk z oblasti teórie merania a fyzioterapeutickej diagnostiky posúdiť vhodnosť vytvoreného fotogrametrického softwaru (autor: P. Virostko) ako alternatívneho nástroja na meranie uhlov v kĺboch, ako aj empiricky porovnať jeho reliabilitu s reliabilitou štandardne používaného goniometra. Tento alternatívny spôsob diagnostiky rozsahu pohybu v kĺbe môže byť v praxi užitočný najmä vďaka eliminovaniu chýb merania spôsobených ľudským faktorom, príp. poruchou použitého prístroja, a tiež aj vďaka možnosti archivácie predchádzajúcich meraní v podobe fotografického materiálu (s možnosťou spätnej kontroly, porovnania s inými, sledovania zmien v čase a pod.).

Aby mohli byť výsledky merania považované za hodnoverné, mal by merací nástroj a celá procedúra merania spĺňať požiadavky reliability, objektivity a validity (objektivita a validita sa prísne sledujú najmä pri nefyzikálnych meraniach). V tejto štúdii sme sa zamerali na reliabilitu merania prostredníctvom fotogrametrického softwaru. Reliabilita vo všeobecnosti odzrkadľuje to, do akej miery je výsledok merania zaťažený chybou (2). Odhadujeme ju napríklad na základe miery zhody výsledkov meraní realizovaných viacerými osobami, alebo miery zhody výsledkov opakovaných meraní tou istou osobou, pričom sa stav meraného objektu nemení.

Goniometer verzus fotogrametrický software

Ako sme už vyššie naznačili, pri meraní uhlov v rôznych polohách kĺbu pomocou štandardne používaného goniometra môže byť do merania vnášané subjektívne hodnotenie fyzioterapeuta bez možnosti spätného overenia, pretože sa neuchováva zobrazenie krajnej pozície kĺbu, teda fyzioterapeut si s odstupom času nemôže verifikovať správnosť realizovaného merania. Rovnaký problém nastáva pri opakovaných meraniach (vstupné, kontrolné, výstupné), najmä ak sú navyše realizované rôznymi fyzioterapeutmi. Každý merajúci vnáša do merania subjektívnu chybu, ktorú nie je pri štandardnej goniometrickej metóde možné spätne korigovať, nakoľko sa uchováva len zápis bez archivácie obrazovej dokumentácie. Vzhľadom na zaokrúhľovanie výsledných hodnôt meraní, ktoré je bežne prítomné vo fyzioterapeuticko-diagnostickej praxi, sa hodnoty odchýlok meraní môžu ešte navýšiť, čím sa rozdiely nameraných hodnôt od reálnych (t.j. chyby merania) môžu ešte zvýšiť. Vzhľadom na uvedené problémy pri meraní uhlov v kĺbe pomocou goniometra sme navrhli fotogrametrický software, ktorý do určitej miery eliminuje nevýhody merania goniometrom.

Vytvorený fotogrametrický software (autor: P. Virostko) je primárne určený na diagnostiku rozsahu pohyblivosti v kĺboch, ako aj na archiváciu obrazovej dokumentácie vyšetrení v rámci fyzioterapeutickej diagnostiky (špeciálne v súkromnej praxi, v športových zariadeniach a pod., kde je dostatok času na dôkladné vyšetrenie, a zároveň je dôležitá archivácia meraní). Software po-zostáva z dvoch modulov – modulu na meranie uhlov a modulu na meranie asymetrie tela (druhý modul umožňujúci posúdiť a kvantifikovať odchýlky od symetrickej pozície tela nebol predmetom empirického overovania v rámci tejto štúdie). Modul na meranie uhlov umožňuje merať uhly v rôznych polohách kĺbov, pričom z krajných polôh kĺbu je následne možné dopočítať rozsah pohybu v danom kĺbe. Meranie je realizované v stupňoch uhlovej miery (uhlových stupňoch). Software rozlišuje meranie podľa typu kĺbu (ramenný, kolenný/lakťový/bedrový, členkový) vzhľadom na ich odlišnú tzv. nulovú pozíciu. V ďalšom odseku stručne približujeme diagnostické použitie daného softwaru.

Praktické použitie softwaru na meranie uhlov je mierne časovo náročnejšie ako štandardné použitie goniometra. Fyzioterapeut si musí odfotografovať meraný kĺb v krajných pozíciách, pričom je potrebné mať fotografický prístroj v rovine kolmej na fotografovaný kĺb (pri prípadnej osovej odchýlke je do merania vnášaná chyba spôsobená optickým skreslením, ktorej hodnota je približne 5° pri osovej odchýlke fotografického prístroja 45°). Následne sa fotografie prekopírujú z fotoaparátu do PC a jednotlivo načítajú softwarom s možnosťou ich uloženia (archivácie) pod označením dátumom merania, typom vyšetrenia a podobne. Software ponúka viacero možností zobrazenia fotografie, takže je možné zvoliť si zobrazenie optimálne pre potreby konkrétneho merania (pri väčšej fotografii je potrebné použiť funkciu zoom, aby sa zobrazila celá fotografia, nielen jej výrez, pri menšej fotografii môže zostať základné nastavenie zobrazenia fotografie do rozlíšenia 800x800 pixelov). Ďalej fyzioterapeut označí typ meraného kĺbu (členkový, kolenný/lakťový/bedrový, ramenný), aby software korigoval výsledok merania podľa nulovej pozície meraného kĺbu. Po nastavení uvedených základných parametrov zvolí fyzioterapeut akciu merať uhol a postupne označí na fotografii tri body: začiatok osi prvého ramena uhla, stred uhla a koniec osi druhého ramena uhla. Po zadaní týchto bodov software automaticky vypočíta veľkosť uhla v uhlových stupňoch. V prípade, že fyzioterapeut nie je spokojný s umiestnením vymedzovacích bodov uhla, môže jednotlivé body vymazať a označiť nové. Táto funkcia zvyšuje pravdepodobnosť čo najpresnejšieho merania.

Vzorka, dizajn a procedúra výskumu

Hlavným zámerom tejto štúdie bolo pilotné empirické overenie reliability merania uhlov pomocou vyššie priblíženého fotogrametrického softwaru v porovnaní s reliabilitou merania goniometrom.

Výskumnú vzorku tvorilo 27 študentov 2. a 3. ročníka študujúcich odbor Fyzioterapia na Fakulte zdravotníctva Slovenskej zdravotníckej univerzity (meranie goniometrom realizovalo 26 probantov, nakoľko výskumná vzorka zahŕňala aj dvoch dobrovoľníkov, ktorí nemohli merať uhly sami na sebe). Z celkového počtu probantov bolo 19 žien a 8 mužov. Každý probant (s výnimkou dvoch dobrovoľníkov – figurantov) meral tri uhly pomocou štandardne používaného plastového 32 cm dlhého dvojramenného goniometra. Všetci probanti merali tiež tri uhly pomocou autorského fotogrametrického softwaru. Okrem toho 20 z celkového počtu probantov (12 žien a 8 mužov) realizovalo jedno opakované meranie pomocou goniometra a jedno opakované meranie pomocou softwaru.

Merania pomocou goniometra boli realizované na dvoch dobrovoľníkoch – figurantoch. Pre zabezpečenie rovnakých pozícií pohybových segmentov tvoriacich merané uhly sme si priamo na týchto dobrovoľníkoch v predstihu pripravili sadrové dlahy, ktoré sme potom mohli opakovane použiť na fixáciu vymedzenej pozície pohybových segmentov. Tieto dlahy v podstate simulovali obmedzenia pohyblivosti v kĺbe, ktoré by mohli byť prítomné pri diagnostike reálnych pacientov vo fyzioterapeutickej praxi. Na prvom dobrovoľníkovi sme merali dva rôzne uhly v lakťovom kĺbe (kvôli zníženiu pravdepodobnosti zapamätania si nameranej hodnoty, a tým skreslenia výsledkov retestu). Na druhom dobrovoľníkovi sme merali jeden uhol v kolennom kĺbe. Pred samotným meraním sme nasadili dobrovoľníkom sadrové dlahy a probanti merali veľkosť uhla, ktorý zvierali imobilizované segmenty, pomocou štandardne používaného goniometra. Namerané hodnoty sme zaznamenávali do formulára k identifikačným kódom jednotlivých probantov.

U tých istých dobrovoľníkov – figurantov – sme odfotili dva uhly v lakťovom a jeden uhol v kolennom kĺbe. Išlo o iné veľkosti uhlov, než boli merané goniometrom, čím sme chceli zamedziť ovplyvňovaniu výsledkov druhého merania výsledkami prvého merania (v prípade, že by bol goniometrom aj softwarom meraný rovnaký uhol, mohli by si probanti zapamätať výsledok prvého merania – napr. goniometrom – a následne použiť zapamätanú hodnotu aj ako výsledok druhého merania – napr. softwarom). Fotografie meraných kĺbov sme načítali pomocou nášho fotogrametrického softwaru a upravili funkciou zoom/fit tak, aby sa zobrazil kĺb vrátane priľahlých pohybových segmentov. Ďalej sme nastavili typ kĺbu.

Každý probant, ktorý meral veľkosť uhla, myškou zaklikol na fotografii 3 body v poradí: koncový bod prvého ramena uhla, vrchol uhla a koncový bod druhého ramena uhla. Pokiaľ probant nebol so zadanými bodmi spokojný, mohol ich zmeniť. Keď bol probant so zadaním uhla spokojný, zaznamenali sme softwarom odčítanú hodnotu (veľkosť uhla) do formulára k identifikačnému kódu daného probanta, aby sme neskôr pri vyhodnocovaní výskumu mohli korektne spárovať údaje namerané goniometrom a údaje namerané softwarom.

Pri meraní toho istého javu rovnakým meracím nástrojom viacerými osobami rastie reliabilita merania s klesajúcou variabilitou nameraných údajov. Uvedený aspekt reliability (v zmysle čo najväčšej zhody medzi merajúcimi osobami) sa zvykne označovať ako interrater (6, 7), t.j. medzisubjektový. V rámci nášho výskumu sme ako štatistické ukazovatele variability použili smerodajnú odchýlku (SD) a variačný koeficient (VK). Transformácia nameraných údajov na absolútne odchýlky od prie-meru nám umožnila porovnať chybovosť meraní goniometrom a softwarom aj napriek tomu, že nimi neboli merané uhly rovnakej veľkosti, vrátane štatistického testovania významnosti rozdielu v priemerných odchýlkach (párový t-test). Interrater reliabilitu sme sledovali pri meraní troch rôznych uhlov (dvoch v lakti a jedného v kolene).

Pri opakovanom meraní javu tou istou osobou, t. j. odhadovaní reliability v zmysle stability v čase, sa sleduje miera zhody medzi dvoma spárovanými meraniami (tzv. testom a retestom). Uvedený aspekt reliability sa zvykne označovať ako intrarater (6, 7), t.j. vnútrosubjektový. Ako štatistický ukazovateľ miery zhody medzi dvoma meraniami realizovanými tými istými osobami s časovým odstupom približne 2 týždňov, sme v rámci nášho výskumu použili Pearsonov korelačný koeficient (r). Intrarater reliabilitu sme sledovali pri meraní jedného uhla v lakti.

VÝSLEDKY VÝSKUMU

Najprv prezentujeme empiricky získané informácie vzťahujúce sa k základnému deskriptívnemu priblíženiu nameraných údajov (stredné hodnoty a ukazovatele variability). Variabilita nameraných údajov poukazuje na interrater reliabilitu v zmysle presnosti (nerozptýlenosti) merania. Uvedené deskriptívne ukazovatele postupne prezentujeme pre všetky tri výskumne merané kĺby: lakeť A, lakeť B a koleno.

V tabuľke 1 porovnávame štatistické ukazovatele meraní uhlov v lakti A pomocou goniometra a pomocou fotogrametrického softwaru. Obe použité miery variability (SD, VK) poukazujú na vyššiu rozptýlenosť nameraných údajov pri meraní goniometrom v porovnaní s meraním pomocou softwaru. Variačný koeficient ako relatívna miera variability, ktorá umožňuje porovnať rozptýlenosť údajov aj pri súboroch s rozdielnymi strednými hodnotami, dokonca dosahuje pri meraniach goniometrom takmer dvojnásobnú hodnotu v porovnaní s meraniami pomocou softwaru. To naznačuje výrazne vyššiu interrater reliabilitu meraní pomocou nami navrhnutého softwaru v porovnaní so štandardne používaným goniometrom.

V tabuľke 2 porovnávame štatistické ukazovatele meraní uhlov v lakti B pomocou goniometra a softwaru. Možno konštatovať, že vyššie hodnoty oboch ukazovateľov variability pri meraní goniometrom poukazujú na vyššiu rozptýlenosť výsledkov, teda nižšiu interrater reliabilitu meraní pomocou tejto diagnostickej pomôcky v porovnaní s naším softwarom.

Štatistické ukazovatele meraní uhlov v treťom a poslednom meranom kĺbe – v kolene – prezentujeme v tabuľke 3. Opäť nižšiu presnosť, t.j. vyššiu rozptýlenosť výsledkov merania, sme na základe vyšších hodnôt oboch štatistických ukazovateľov variability identifikovali pri meraní pomocou goniometra. Ako možno vidieť v tabuľke 3, hodnota variačného koeficientu, ako relatívnej miery variability pri údajoch nameraných štandardne používaným goniometrom, dokonca presahuje mieru variability údajov nameraných overovaným softwarom takmer štvornásobne.

Ďalej sme za účelom porovnania odchýlok vzniknutých pri meraní uhlov goniometrom a pri meraní pomocou nášho softwaru vyčíslili absolútne odchýlky od priemeru pre každý nameraný údaj. Transformácia údajov na absolútne odchýlky od priemeru nám umožnila porovnať presnosť meraní goniometrom a softwarom aj napriek tomu, že nimi neboli merané uhly rovnakej veľkosti. Z absolútnych odchýlok sme vypočítali priemer, teda štatistickú priemernú odchýlku pri meraní uhla v oboch lakťoch a kolene. Ako vyplynulo z porovnania priemerných odchýlok merania goniometrom a softwarom, väčšia priemerná odchýlka bola pri meraní goniometrom, a to pri všetkých troch meraných kĺboch. Názorné porovnanie priemerných odchýlok prezentujeme na grafe 1.

Vzhľadom na to, že transformáciou nameraných údajov na absolútne odchýlky sme získali porovnateľné dáta, mohli sme taktiež štatisticky otestovať významnosť rozdielu medzi meraním goniometrom a softwarom (konkrétne sme testovali významnosť rozdielu v priemerných odchýlkach týchto dvoch spôsobov merania), k čomu sme použili párový t-test (výsledné p-hodnoty t-testu prezentujeme vyššie na grafe 1). Ako štatisticky vysoko významný (na hladine významnosti α=0,01) sa preukázal rozdiel medzi meraním goniometrom a softwarom pri kolennom kĺbe, a to v prospech nášho softwaru (t.j. signifikantne menšia priemerná odchýlka merania bola pri meraní softwarom), čo opäť poukazuje na vyššiu interrater reliabilitu fotogrametrického softwaru v porovnaní s goniometrom.

Ďalší dôležitý aspekt reliability v zmysle relatívnej zhody opakovaných meraní (intrarater reliabilitu) sme orientačne zisťovali pri meraní jedného kĺbu (lakeť A) na vzorke 20 probantov. Medzi spárovanými meraniami (realizovanými približne s 2-týždenným odstupom) sme ako ukazovateľ zhody (stability meraní v čase) vyčíslili Pearsonov korelačný koeficient (r), ku ktorému sme za účelom posúdenia štatistickej významnosti vyčíslili aj príslušnú p-hodnotu. Ako hladinu významnosti sme si zvolili štandardnú hodnotu α =0,05, pri ktorej sa oba vyčíslené korelačné koeficienty preukázali ako štatisticky významné. Korelačné koeficienty a p-hodnoty sú prezentované v tabuľke 4.

Na základe výsledkov korelačnej analýzy zhody medzi dvoma meraniami goniometrom a dvoma meraniami softwarom môžeme konštatovať výrazne vyššiu zhodu (teda vyššiu intrarater reliabilitu) medzi meraniami pomocou softwaru (r=0,61) v porovnaní so zhodou medzi meraniami goniometrom (r=0,44).

DISKUSIA

Slabina štandardných goniometrických meraní spočíva v tom, že drobné chyby v priložení uhlomeru môžu mať za následok podstatné chyby merania (4). Merajúce osoby vnášajú do merania subjektívne chyby, ktoré nie je možné bez archivácie obrazovej dokumentácie spätne korigovať. Zaokrúhľovaním výsledkov merania sa hodnoty odchýlok meraní môžu ešte navýšiť. Uvedené nedostatky diagnostiky rozsahu pohybu pomocou merania uhlov v rôznych polohách kĺbu štandardne používaným goniometrom, by mohlo do značnej miery eliminovať použitie alternatívnej meracej metódy – fotogrametrického softwaru. Cieľom nášho výskumu bolo porovnať reliabilitu vytvoreného fotogrametrického softwaru s reliabilitou štandardne používaného goniometra. Hoci v zahraničí existujú snahy o výskumné overovanie nástrojov na meranie uhlov pri diagnostike rozsahu pohybu v kĺboch alternatívnych voči štandardnému goniometru (3, 4), s podobným výskumom realizovaným na Slovensku, resp. v Čechách, sme sa v nám dostupných zdrojoch nestretli. Preto sa v rámci diskusie obmedzíme na zhrnutie zistení nášho pilotného výskumu a ich porovnanie s výsledkami zahraničných štúdií.

Pri výskumných meraniach uhlov vo všetkých troch meraných kĺboch (dva lakte a koleno) sme zistili vyššiu rozptýlenosť hodnôt nameraných goniometrom v porovnaní s overovaným softwarom. Práve vyššia rozptýlenosť nameraných údajov poukazuje na nižšiu interrater reliabilitu. Výrazne a štatisticky signifikantne vyššia reliabilita meraní pomocou softwaru voči meraniam pomocou goniometra sa v rámci nášho výskumu preukázala pri meraní uhla v kolennom kĺbe. Pri meraní uhlov v lakťových kĺboch nebol síce rozdiel v prospech softwaru štatisticky významný, možno však oprávnene predpokladať, že pri replikácii tohto výskumu s väčšou výskumnou vzorkou by sa signifikancia rozdielu v odchýlkach merania preukázala aj pri meraniach uhlov v lakťoch.

Venturini a spol. pri overovaní a porovnávaní interrater reliability meraní univerzálnym goniometrom a meraní digitálnym sklonomerom dospeli k záveru, že goniometer vykazuje len strednú reliabilitu, na rozdiel od digitálneho skolonomeru, ktorý vykázal vysokú interrater reliabilitu (3). Podobne Wakefield a spol., ktorí realizovali výskum s cieľom porovnať reliabilitu goniometrickej a trigonometrickej metódy na diagnostiku rozsahu pohybu extenzie v bedrovom kĺbe, zistili, že interrater reliabilita goniometrickej metódy je stredná až nízka, kým reliabilita trigonometrickej metódy je vysoká (4).

Na základe odhadu reliability v zmysle zhody medzi opakovanými meraniami goniometrom a opakovanými meraniami softwarom môžeme konštatovať výrazne vyššiu intrarater reliabilitu meraní pomocou fotogrametrického softwaru. O dostatočnej reliabilite v zmysle stability meraní v čase vypovedá hodnota korelačného koeficientu 0,7 a viac (2). Keďže ani jeden z koeficientov vyčíslených v rámci nášho pilotného výskumu požadovanú hodnotu nedosiahol, nemôžeme potvrdiť intrarater reliabilitu ani čo sa týka štandardne používaného goniometra ani čo sa týka nami navrhnutého softwaru (hodnota korelačného koeficientu pri meraniach softwarom /0,61/ sa však k požadovanej kritickej hodnote 0,7 blíži).

Podobne ako my, aj Wakefield a spol. zistili pri porovnávaní goniometrickej a trigonometrickej metódy relatívne nízku intrarater reliabilitu goniometrickej metódy, na rozdiel od metódy trigonometrickej, ktorej reliabilita sa preukázala ako vysoká (4). Avšak na rozdiel od našich zistení, Venturini a spol. výskumne doložili relatívne vysokú intrarater relibilitu pre goniometer aj digitálny sklonomer (3). Taktiež Nussbaumer a spol., ktorí overovali reliabilitu štandardného goniometra pri diagnostike rozsahu pohybov pri pasívnej flexii, abdukcii, addukcii, vnútornej a vonkajšej rotácii v bedrovom kĺbe, zistili prijateľnú intrarater reliabilitu goniometra (1). Na druhej strane zistili, že meranie goniometrom výrazne nadhodnocuje rozsahy pohybu bedrového kĺbu meraním intersegmentálneho uhla oproti skutočnému rozsahu (meranému elektromagnetickým sledovacím systémom). Napriek tomu však autori spomínanej štúdie považujú štandardný goniometer za použiteľný v klinickej praxi.

ZÁVER

Okrem predbežného potvrdenia vyššej interrater aj intrarater reliability meraní pomocou nami navrhnutého fotogrametrického softwaru v porovnaní so štandardne používaným goniometrom nám z realizovanej pilotnej štúdie vyplynuli aj odporučenia, resp. zámery pre budúci výskum. Pre možnosť korektného zovšeobecnenia zistení ohľadom reliability posudzovaných metód na diagnostiku rozsahu pohybov v kĺboch je potrebné výskum replikovať na väčšej výskumnej vzorke. Nakoľko merania v rámci tejto štúdie vykonávali študenti fyzioterapie, bolo by vhodné ďalší výskum realizovať aj s diagnosticky skúsenejšími probantmi (fyzioterapeutmi z praxe). V prípade takéhoto výskumu by mohol byť výskumný zámer rozšírený aj o získanie z praxe vyplývajúcich návrhov na zdokonalenie vytvoreného softwaru, vrátane požiadaviek na rozšírenie jeho funkcií.

Adresa ke korespondenci:

Mgr. Ing. Eva Nábělková, Ph.D.

Kuzmányho 2

974 01 Banská Bystrica

Slovenská republika

e-mail: eva.nabelkova@umb.sk