基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法。该方法包括初始化传感器、获取帕金森患者多项典型运动症状原始数据、对原始数据进行预处理、提取特征数据、以及借助训练过的神经网络量化帕金森患者的每一项运动症状，并基于此量化结果进行综合评估。本发明专利技术提出的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，可以实现在无专业医生陪同的情况下对用户的各项帕金森运动症状进行有标准地量化，并对用户的帕金森病情或恢复情况作出综合评估，让用户在日常生活中居家就能实现帕金森病情的监测。同时，本发明专利技术方法提出的系统装置原理简单，使用方便，安全性高，实时性优，精度高，适用范围广泛。适用范围广泛。适用范围广泛。

【技术实现步骤摘要】
基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法


[0001]本专利技术涉及柔性电子、数据分析以及医疗监测领域，特别涉及一种基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法。

技术介绍

[0002]帕金森病是一种慢性中枢神经系统退化性失调的疾病，会对患者的运动、语言和其他功能造成损害。据统计，2020年全世界患病人数已超过1000万，其中65岁人群患病率为2％。我国有超过300万帕金森患者，其中65岁以上中老年人发病率为1.7％，患病人数约占全球患者总数的三分之一。帕金森已是继恶性肿瘤、心脑血管疾病之后中老年的第三杀手，严重影响患者的生活，随着疾病恶化最终患者僵卧在床，生活不能自理，给家庭和社会带来沉重的负担，成为亟需关注的社会问题。
[0003]目前，药物治疗是治疗早期帕金森的主要手段，但是经过一段时间治疗后，会逐渐出现症状波动和异动症等并发症，所以需要长期的运动症状监测。至今帕金森运动症状监测及相应量化评估仍然是其诊疗中的一个难题，特别是我国帕金森仍处于“认知度低、就诊率低、诊断率低”的“三低”状态。而且在患者治疗过程中，由于没有持久有效监测药效的手段，在药物治疗中对病人的用药剂量大多也依据经验判断，因此急需开发一款可以持续监测帕金森运动症状的设备来解决上述问题。
[0004]帕金森患者的主要运动症状为震颤、运动迟缓、肌肉僵直和平衡障碍。其中，手部的静止性震颤是主要的临床症状之一，大约70％的帕金森患者有手部静止性震颤症状，特征为患者的手指在静止状态下不自主地抖动，典型患者的症状表现为搓丸样的震颤，震颤的频率多为4
‑
6Hz。同样以震颤为主要症状的疾病还有特发性震颤，主要表现为手、头部及身体其他部位的姿势性和运动性震颤，震颤的频率为5
‑
8Hz。由于两种疾病临床上表现出大量相似症状，即使由运动障碍专家进行诊断，临床误诊率仍然很高：大约20％的帕金森震颤会被诊断为特发性震颤；反之，大约25％的特发性震颤会被诊断为帕金森震颤。尤其是在病情早期阶段，鉴别两种疾病更为困难。早期对症治疗对抑制病情的恶化尤为重要。目前，帕金森症状的严重程度及其治疗效果主要由神经科医生参照统一帕金森病评定量表等评价标准，辅以电生理以及影像检查手段或者凭经验和感觉进行诊断。这种诊断方式不可避免地存在以下弊端：(1)对医师专业技能要求高；(2)敏感性低，不易发现患者的轻微症状；(3)难以消除不同评估者主观差异造成的影响；(4)不利于对患者的病情进行纵向观察；(5)缺乏客观评价标准，容易造成误诊。
[0005]帕金森患者的另一主要症状为肌肉僵直。临床上针对此症状的常规诊断方法主要为手写评估测试。该测试要求患者执行一系列特定图案的书写任务，如阿基米德曲线、米字临摹、随意图画、书写不同长度的词语等。帕金森患者由于肌肉僵硬以及运动迟缓，绘制的图案对比标准图案会有较大的偏差，而特发性震颤患者由于姿势型震颤更是难以完成图案绘制的任务，偏差相比帕金森患者更大，医生常常通过观察患者绘制的图案对患者病理及病情做出判断。虽然该方法简单方便，且为临床医生广泛采用，但仍有不足之处：(1)该方法
不适用于前驱期运动症状尚不明显的帕金森患者的诊断；(2)无法量化反映患者运动迟缓等症状；(3)无法如实反映患者病情。患者在完成绘制任务时，常常因为心理紧张而使病情表现得比实际更加严重；(4)无法提供量化数据，难以据此对患者病情以及康复情况做出理性判断。
[0006]除了上述以外，帕金森病对患者威胁最大的就是伴发的各种行为障碍。其中平衡障碍最为关键，这关系到了帕金森患者的基本生活和行走能力。传统的闭目直立实验只能观察受检者有无站立不稳或倾倒，并不能对患者的平衡障碍程度以及治疗后的恢复情况进行量化，存在一定的不准确性。
[0007]目前已有一些研究者采用可穿戴设备来量化帕金森运动症状，但是这些研究多针对某一运动症状开展的，无法综合评价帕金森病情。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，本专利技术方法可以实现在无专业医生陪同的情况下对用户的各项帕金森运动症状进行有标准地量化，并对用户的帕金森病情或恢复情况作出综合评估，让用户在日常生活中居家就能实现帕金森病情的监测；同时，本专利技术提出的系统装置原理简单，使用方便，安全性高，实时性优，精度高，适用范围广泛。
[0009]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，包括如下步骤：
[0010]步骤一、在人体手腕、手指以及脚腕处布置好传感器，摆放好柔性触觉传感器，对传感器进行初始化，设置检测参数；
[0011]步骤二、用户利用各传感器同时检测各项测试任务，完成对用户的静止性、姿势性和运动性震颤，肌肉僵直以及平衡障碍数据的采集，并通过连接的计算机向用户实时显示各项运动数据；
[0012]步骤三、对采集到的原始序列数据进行预处理；
[0013]步骤四、提取预处理后的序列数据以及绘图数据的特征，分别合成新的序列数据和绘图的特征数据谱图；
[0014]步骤五、将新的序列数据以及绘图的特征数据谱图输入至已经训练好的神经网络中，对用户的各项帕金森运动症状进行量化评分，并在采集完所有运动症状后依据预先设定好的各项权值对用户的帕金森病情或恢复情况进行综合评估。
[0015]在本专利技术一实施例中，步骤一具体为：用户将震颤检测装置通过魔术贴固定于手腕和手指上，将平衡障碍检测装置通过魔术贴固定于脚腕上，保证用户运动时自身与检测装置之间无相对位移，将肌肉僵直检测用的柔性触觉传感器与配套的手写笔平放于桌面上，开启准备好的各传感器，确认各传感器已与计算机通过蓝牙连接完毕，将加速度量程设置为
±
16g/s2，陀螺仪量程设置为2000deg/s，带宽设置为188Hz，回传速率设置为50Hz，最后，执行自动校准功能，以补偿由于温度和在仪器影响区运行的其他电气设备的任何辐射而引起的漂移。
[0016]在本专利技术一实施例中，步骤二具体为：用户确定好所有设备处于开启状态并且和计算机的连接状态良好后，依次进行如下任务：
[0017]任务一：用户启动计算机上对应程序并进入静止性震颤检测模式后，端坐于椅子上，双手放松并自然搭在大腿上，保持姿势不变1分钟；
[0018]任务二：用户操作计算机上对应程序进入姿势性震颤检测模式后，继续端坐于椅子上，双手向前平举并保持与地面平行，保持姿势不变一分钟；
[0019]任务三：用户操作计算机上对应程序进入平衡障碍检测模式后，进行昂白实验，即垂直站立，两脚并拢，两手于胸前互扣，并向两侧牵拉，紧闭双眼，保持姿势不变一分钟；
[0020]任务四：用户操作计算机上对应程序进入肌肉僵直检测模式后，按任务进行绘图，即端坐于桌前，使用配套的手写笔在柔性触觉传感器上绘制规定的图案；
[0021]在用户进行任务期间，震颤检测装置和平衡障碍检测装置中内置的陀螺仪和加速度计以50Hz的频率读取、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在人体手腕、手指以及脚腕处布置好传感器，摆放好柔性触觉传感器，对传感器进行初始化，设置检测参数；步骤二、用户利用各传感器同时检测各项测试任务，完成对用户的静止性、姿势性和运动性震颤，肌肉僵直以及平衡障碍数据的采集，并通过连接的计算机向用户实时显示各项运动数据；步骤三、对采集到的原始序列数据进行预处理；步骤四、提取预处理后的序列数据以及绘图数据的特征，分别合成新的序列数据和绘图的特征数据谱图；步骤五、将新的序列数据以及绘图的特征数据谱图输入至已经训练好的神经网络中，对用户的各项帕金森运动症状进行量化评分，并在采集完所有运动症状后依据预先设定好的各项权值对用户的帕金森病情或恢复情况进行综合评估。2.根据权利要求1所述的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，步骤一具体为：用户将震颤检测装置通过魔术贴固定于手腕和手指上，将平衡障碍检测装置通过魔术贴固定于脚腕上，保证用户运动时自身与检测装置之间无相对位移，将肌肉僵直检测用的柔性触觉传感器与配套的手写笔平放于桌面上，开启准备好的各传感器，确认各传感器已与计算机通过蓝牙连接完毕，将加速度量程设置为
±
16g/s2，陀螺仪量程设置为2000deg/s，带宽设置为188Hz，回传速率设置为50Hz，最后，执行自动校准功能，以补偿由于温度和在仪器影响区运行的其他电气设备的任何辐射而引起的漂移。3.根据权利要求2所述的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，步骤二具体为：用户确定好所有设备处于开启状态并且和计算机的连接状态良好后，依次进行如下任务：任务一：用户启动计算机上对应程序并进入静止性震颤检测模式后，端坐于椅子上，双手放松并自然搭在大腿上，保持姿势不变1分钟；任务二：用户操作计算机上对应程序进入姿势性震颤检测模式后，继续端坐于椅子上，双手向前平举并保持与地面平行，保持姿势不变一分钟；任务三：用户操作计算机上对应程序进入平衡障碍检测模式后，进行昂白实验，即垂直站立，两脚并拢，两手于胸前互扣，并向两侧牵拉，紧闭双眼，保持姿势不变一分钟；任务四：用户操作计算机上对应程序进入肌肉僵直检测模式后，按任务进行绘图，即端坐于桌前，使用配套的手写笔在柔性触觉传感器上绘制规定的图案；在用户进行任务期间，震颤检测装置和平衡障碍检测装置中内置的陀螺仪和加速度计以50Hz的频率读取、记录用户完成任务时相应部位的实时角度、角速度和角加速度的变化，肌肉僵直检测用柔性触觉传感器以50Hz的频率实时读取用户绘图时落笔的坐标以及压力大小，利用单片机采集数据并通过蓝牙将数据传输到计算机，计算机再实时把获取的数据以图象形式实时反馈给用户。4.根据权利要求3所述的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，步骤三具体为：计算机将实时获取的角度、角速度和角加速度原始数据存储至固定文件中，删除所有的采集到的前5s和后5s的数据以排除用户在测试准备与结束时多余的
动作造成的噪声干扰，仅保留中间50s的信号进行数据处理；帕金森患者的震颤频率通常为4
–
6Hz，而同样以震颤为典型症状的特发性震颤患者的震颤频率通常为5
–
8Hz，因此需要对低于3Hz的低频伪迹和高于9Hz的高频伪迹进行过滤；选用基于切比雪夫最佳一致逼近的非递归型FIR带通滤波器对保留的信号进行滤波，其上截止频率为9Hz，下截止频率为3Hz。5.根据权利要求1所述的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，步骤四具体为：计算机将预处理后的信号数据和绘图数据传输并存储于指定文件中，再对存储的数据进行特征提取，具体如下：1)提取预处理后序列数据的时域特征，其中包括：(1)时域震颤幅度的均值μ，计算公式为：其中，x
i
为第i个峰值；N为一组信号的峰值个数；(2)时域震颤幅度的标准差σ，计算公式为：(3)时域震颤幅度的均方根RMS，计算公式为：(4)时域震颤幅度的偏度S，计算公式为：(5)时域震颤幅度的峰度K，计算公式为：2)提取预处理后序列数据的频域特征，其中包括：(1)谱距离；(2)频谱基频；(3)频谱最大频率；(4)频谱中频；(5)频谱最大峰值；(6)频谱能量值E，计算公式为：
其中，其中E为能量值，f表示频点，P(f)为信号能量谱密度；a、b分别为震颤的频率范围边界值；3)提取绘图数据的特征，其中包括：(1)平均速度；(2)平均加速度；(3)笔画数；(4)平均压力；(5)患者所绘图与标准图案平均偏移距离。提取的时域特征和频域特征作为新的序列数据，作为用于识别序列的复合神经网络的输入；提取的绘图数据的特征以进度条的形式与绘图数据生成标准大小的特征数据谱图，作为用于识别图像的卷积神经网络的输入。6.根据权利要求1所述的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，步骤五具体为：计算机将新的序列数据输入到事先训练好的复合神经网络中，将生成的绘图的特征数据谱图输入至事先训练好的卷积神经网络中，程序通过分析神经网络的输出结果对用户的每一项帕金森运动症状进行评分，并依据预先设定好的各项运动症状所占权值对用户的帕金森病情或恢复情况进行综合评估。7.根据权利要求6所述的基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估方法，其特征在于，复合神经网络由一维卷积神经网络和长短期记忆神经网络LSTM组成，一维卷积神经网络架构由一个包含30个长度为20的滤波器的卷积层、一个最大池化层、一个包含30个长度为10的滤波器的卷积层、一个最大池化层和最后一...

【专利技术属性】
技术研发人员：何炳蔚，解相杰，张月，洪文尧，阴翔宇，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：