Fluctuating motor symptoms are one of the main challenges in the assessment and evaluation of treatment effects in Parkinson’s disease (PD). The stepping in place task was previously proposed as an assessment of postural control and as surrogate for gait tests, two important evaluations of disturbed motor functions in this disorder. Due to its low spatial requirement, this motor task might specifically be suitable for an instrumental assessment even in remote application. Objective of this study was to explore the quantification of motor features associated with Parkinson's Diseases during stepping in place performance.
Methods: Performance of 40 sec stepping in place (SIP) was recorded with a marker-free motion analysis system using a single RGB-Depth camera system. Data from 25 Persons with PD (PwPD, 7 female, Age: mean 65.3 years ± 9.4 years, MDS-UPDRS III 5-65) in up to two different treatment states (OFF: 13, ON: 20) and data from 83 healthy controls (HC, 52 female, Age: 36.8y ± 13.8y) was available for algorithm development, feature extraction and statistical analysis. Based on knee movements, eight spatiotemporal parameters were extracted including cadence, average knee movement amplitude, average and longest step and stance times, asymmetry and arrhythmicity. Parameters were analysed regarding potential confounding effects, technical accuracy and repeatability in HC, their relation to disease severity (MDS-UPDRS III) and postural instability (pull test score) in PwPD and intra- individual differences in treatment states (OFF vs. ON).
Results: Six out of eight features showed good accuracy and repeatability in HC subgroup (n=19). Asymmetry and arrhythmicity showed only poor to moderate accuracy (ICC(A,1) > .3; Pearson’s r > .5) and repeatability (ICC(1,1) >.4). No linear confounding effects of age, height and weight were found in HC and PwPD. Decreased knee amplitude was associated with higher disease severity (rho = -.503, p-value = .003) and higher postural instability (rho = - .436, p-value = .014). Knee amplitudes showed also increase of 85.4% from OFF to ON in a subgroup in which recordings were available from both treatment states (n=10). Longer stance time measures were associated with higher disease severity (rho = .523, p-value = .002) and higher postural instability (rho = .468, p-value = .008). 50% of patients with ratings of freezing of gait during MDS-UPDRS III assessment showed freezing during SIP.
Conclusion: Instrumental assessment of a 40 sec stepping in place performance may be suitable to quantify common motor symptoms, specifically postural instability, in PwPD. Derived parameters described motor symptoms of PD including decreased ranges of motion (hypokinesia), slower motions (bradykinesia) and increased asymmetry as well as arrhythmicity of stepping movements during SIP. Sensitivity to intra-individual changes, indicates potential use of SIP to monitor fluctuation of motor symptoms in PD.
Motorische Fluktuationen sind eine der größten Herausforderungen bei der Beurteilung von Behandlungseffekten bei Morbus Parkinson (PD). Das auf der Stelle Gehen (SIP), wurde ursprünglich als Test zur Haltungskontrolle und als Surrogat für Ganganalyse vorgeschlagen, zwei wichtige Aspekte der gestörten motorischen Funktionen bei Parkinson. Ziel dieser Studie war es, die Quantifizierung von Parkinson-assoziierten motorischen Merkmalen während des Gehens auf der Stelle zu untersuchen. Methoden: Ein makerfreies Bewegungsanalysesystem (RGB-Tiefenkamera) wurde verwendet, um die Ausführung vom SIP über 40 Sekunden aufzuzeichnen. Für die Entwicklung der Algorithmen, die Merkmalsextraktion und die statistische Analyse standen Daten von 25 Personen mit Morbus Parkinson (PwPD, 7 weiblich, Alter: 65,3 Jahre ± 9,4 Jahre, MDS-UPDRS III 5-65) in bis zu zwei verschiedenen Therapiezuständen (OFF: 13, ON: 20) und Daten von 83 gesunden Personen (HC, 52 weiblich, Alter: 36,8 Jahre ± 13,8 Jahre) zur Verfügung. Auf Grundlage der Kniebewegungen wurden acht Parameter extrahiert: Kadenz, durchschnittliche Amplitude der Kniebewegung, durchschnittliche und längste Schritt- und Standzeiten, Asymmetrie und Arrhythmie. Die Parameter wurden im Hinblick auf potenzielle Störfaktoren, technische Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei HC, Zusammenhang mit dem Schweregrad der Erkrankung (MDS-UPDRS III) und der posturalen Instabilität (Pull-Test-Score) in PwPD sowie auf intraindividuelle Unterschiede bei den Behandlungszuständen (OFF vs. ON) analysiert. Ergebnisse: Sechs von acht Merkmalen zeigten eine gute Genauigkeit und Wiederholbarkeit in HC (n=19). Asymmetrie und Arrhythmie zeigten nur geringe bis mäßige Genauigkeit (ICC(A,1) > .3; Pearson's r > .5) und Wiederholbarkeit (ICC(1,1) >.4). Bei HC (n=83) und PwPD (n=33) wurden keine linearen Effekte von Alter, Größe und Gewicht festgestellt. Eine verringerte Knieamplitude war mit höherer Krankheitsschwere (rho=-.503, p-Wert = .003) und höherer posturalen Instabilität (rho=-.436, p-Wert=.014) verbunden. Die Knieamplituden nahmen in einer Untergruppe (n=10), von OFF zu ON um 85,4 % zu. Längere Standzeiten waren mit höherer Krankheitsschwere (rho=.523, p-Wert=.002) und höherer posturalen Instabilität (rho=.468, p-Wert=.008) verbunden. 50 % der Patienten, die im MDS-UPDRS-III ein Einfrieren des Gangs zeigten, zeigten auch beim SIP ein Einfrieren. Schlussfolgerung: Die instrumentelle Analyse vom 40-sekündigen Gehen auf der Stelle kann geeignet sein, häufige motorische Symptome, insbesondere posturale Instabilität, bei PwPD zu quantifizieren. Die abgeleiteten Parameter beschrieben die motorischen Symptome von Morbus Parkinson, einschließlich verringerten Bewegungsumfang (Hypokinese), langsamerer Bewegungen (Bradykinese) und Asymmetrie sowie Arrhythmie der Schrittbewegungen. Die Empfindlichkeit gegenüber intraindividuellen Veränderungen deutet auf einen möglichen Einsatz des SIP zum Monitoring motorischer Symptome von PD hin.
