뇌졸중 환자 보행 분석 및 분류를 위한 심층신경망

보행 훈련을 시작할 수 있는 뇌졸중 환자에서 비정상적인 보행 패턴을 관찰할 수 있는데, 여기에는 회선 보행, 발 내림, 고관절 하이킹 및 반발 슬관절 등이 포함됩니다. 뇌혈관 장애 후 6개월은 뇌졸중 후 재활의 황금기로 간주되므로 이 기간 동안의 집중적인 개입은 뇌졸중 환자에게 상당한 도움이 될 것입니다. 현재 임상적 치료 방법은 여전히 ​​물리과 의사와 치료사의 주관적 진단에 크게 의존하고 있기 때문에 연구자들은 비정상적인 보행 패턴을 분류하는 보다 객관적인 방법을 확립함으로써 장기 재활 계획에 더 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.

이 관찰 연구에서 연구자들은 최초의 일측성 뇌졸중 환자 100명을 모집할 계획이며 도움 없이 6분 동안 평평한 표면에서 걸을 수 있습니다. 포함 기준에는 뇌졸중이 처음 있고 하지 Brunnstrom III-V 단계에 영향을 받은 20세 이상의 연령과 기능적 보행 카테고리 VI가 포함됩니다. 참가자는 6분 동안 도움 없이 평평한 표면을 걸을 수 있어야 하며 MMSE(Mini-Mental State Examination)가 25 이상이어야 합니다. 제외 기준은 뇌졸중 이외의 중증 중추신경계(CNS)/말초신경계 장애 및 보행 중 넘어질 위험이 높은 사람을 포함한다. 검사에 협조할 수 없고 시각/청각/인지 장애가 심한 사람도 제외됩니다. 최근 6개월 이내 하지 골절이 있는 환자도 제외됩니다.

수사관은 물리 치료실뿐만 아니라 외래 진료소에서 참가자를 모집하며 환자는 이 보행 연구 전후에 추가 약물을 투여받지 않습니다. 참가자는 본 연구에 참여함으로써 제한 없이 물리 치료 프로그램과 의료 체제를 계속할 것입니다. 본 연구의 연구 방법은 참여자의 양측 손목, 발목 및 골반에 여러 개의 관성 측정 장치(IMU)를 묶고, 참여자는 가장 편안한 속도로 6분 동안 평평한 표면에서 실내를 걷도록 요청합니다. 본 연구에서 사용된 IMU는 3축 가속도계, 3축 자이로스코프, 3축 자력계로 구성되어 있으며 최고 샘플링 속도는 128Hz이다. AFO(ankle-foot orthosis)와 같은 비침습성 보조기는 보행 안정성과 대칭성을 높일 수 있습니다. 한편, 경험이 풍부한 임상 물리치료사 및 물리치료사가 환자의 보행 패턴이 회선 보행, 드롭 풋, 힙 하이킹 또는 백 무릎과 같은 비정상적인 보행 패턴을 나타내는지 여부를 기록합니다. 참가자는 불편함 없이 6분 걷기 테스트를 마친 후 퇴장할 수 있습니다.

비정상적인 보행 패턴 분석을 위해 훈련하기 위해 DNN(심층 신경망) 모델을 구성합니다. 본 연구를 위해 구축한 DNN 모델은 입력층, 은닉층 6개, 검출출력층, 분류출력층으로 구성된다. 각 숨겨진 레이어는 100개의 뉴런으로 구성되며 감지 출력 레이어는 각 보행 데이터를 정상 보행[1,0] 또는 스트로크 보행[0,1]으로 레이블을 지정합니다. 그 후, 분류 계층은 각각의 비정상적인 뇌졸중 보행 패턴을 뇌졸중 보행, 회선 보행, 드롭 풋, 힙 하이킹 및 백 무릎으로 [1,1,1,1,1]로 레이블을 지정합니다. 본 연구 참여자의 임상 보행 데이터 수집 완료 후 연구자는 수집된 보행 데이터를 DNN 훈련에 사용하고, 연구자는 k-fold cross validation 방법을 사용하여 참여자의 보행 데이터를 무작위로 5개의 모음으로 나누고 그 중 4개는 훈련으로 사용 나머지 데이터는 테스트 데이터로 사용하고 테스트는 5회 반복합니다. 그런 다음 조사관은 물리치료사/치료사가 수행한 임상 관찰 정보와 DNN 모델 결과를 비교하여 DNN 모델이 차별화된 회선 보행, 드롭풋, 힙 하이킹 및 재발 슬관절에 사용할 수 있는지 확인합니다.