Głęboka sieć neuronowa do analizy i klasyfikacji chodu pacjentów po udarze

Nieprawidłowe wzorce chodu można zaobserwować u pacjentów po udarze mózgu, którzy są w stanie rozpocząć trening ambulatoryjny, w tym chód z krążeniem, opadającą stopę, wędrówkę biodrową i wygięcie kolana. Pierwsze 6 miesięcy po incydencie naczyniowo-mózgowym uważane jest za złoty okres rehabilitacji poudarowej, dlatego intensywna interwencja w tym okresie zapewni znaczącą pomoc pacjentom po udarze mózgu. Obecnie kliniczne metody leczenia nadal w dużym stopniu opierają się na subiektywnej diagnozie fizjoterapeutów i terapeutów, dlatego badacze mają nadzieję, że ustanowienie bardziej obiektywnej metody klasyfikacji nieprawidłowych wzorców chodu zapewni bardziej znaczącą pomoc podczas długoterminowego planowania rehabilitacji.

W tym badaniu obserwacyjnym badacze planują rekrutację 100 pacjentów z udarem mózgu z pierwszym w historii jednostronnym udarem mózgu, którzy są w stanie chodzić po płaskiej powierzchni przez 6 minut bez pomocy. Kryteria włączenia obejmują wiek powyżej 20 lat z pierwszym udarem mózgu i zajętą ​​kończyną dolną w stopniu III-V według Brunnstroma oraz kategorię sprawności ruchowej VI. Uczestnicy powinni być w stanie chodzić po płaskiej powierzchni bez pomocy przez 6 minut, a ich Mini-Mental State Examination (MMSE) powinien być powyżej 25, co oznacza, że ​​uczestnicy mogą stosować się do poleceń i współpracować z badaczami w tym badaniu. Kryteria wykluczenia obejmują ciężkie zaburzenia ośrodkowego układu nerwowego (OUN)/obwodowych zaburzeń neurologicznych oprócz udaru oraz osoby z dużym ryzykiem upadku podczas chodzenia. Wykluczeni są również ci, którzy nie mogą współpracować przy badaniu i mają poważne deficyty wzrokowe/słuchowe/poznawcze. Wykluczeni są również pacjenci ze złamaniami kończyn dolnych w ciągu ostatnich 6 miesięcy.

Badacze rekrutują uczestników z przychodni oraz gabinetów fizjoterapeutycznych, a pacjenci nie otrzymają żadnych dodatkowych leków przed/po tym badaniu chodu. Uczestnicy będą kontynuować swoje programy fizykoterapii, jak również reżim medyczny bez żadnych ograniczeń, biorąc udział w tym badaniu. Metoda badania w tym badaniu polega na zamocowaniu wielu inercyjnych jednostek pomiarowych (IMU) na obustronnych nadgarstkach, kostkach i miednicy uczestników, a uczestnicy są proszeni o chodzenie w pomieszczeniu po płaskiej powierzchni przez 6 minut w swoim najbardziej wygodnym tempie. IMU użyte w tym badaniu składa się z 3-osiowego akcelerometru, 3-osiowego żyroskopu i 3-osiowego magnetometru, z najwyższą częstotliwością próbkowania 128 Hz. Nieinwazyjne ortezy, takie jak orteza stawu skokowego (AFO), mogą zwiększyć stabilność i symetrię chodu. W międzyczasie doświadczeni fizjoterapeuci kliniczni i fizjoterapeuci będą rejestrować, czy wzorce chodu pacjentów wykazują nieprawidłowe wzorce chodu, takie jak chód okrężny, opadająca stopa, wędrówka biodrem lub tylne kolano. Uczestnicy mogą wyjść po zakończeniu 6-minutowego testu marszu bez odczuwania dyskomfortu.

Skonstruowano model głębokiej sieci neuronowej (DNN) do uczenia się analizy nieprawidłowego wzorca chodu. Model DNN zbudowany na potrzeby tego badania składa się z warstwy wejściowej, 6 warstw ukrytych, warstwy wyjściowej wykrywania i warstwy wyjściowej klasyfikacji. Każda warstwa ukryta składa się ze 100 neuronów, a wyjściowa warstwa wykrywania oznaczy dane każdego chodu jako chód normalny [1,0] lub chód udarowy [0,1]. Następnie warstwa klasyfikacji oznaczy każdy nieprawidłowy wzorzec chodu jako chód pociągnięcia, chód z okrężnicą, opadającą stopę, wędrówkę biodrową i tylne kolano jako [1,1,1,1,1]. Po zakończeniu zbierania klinicznych danych chodu od uczestników tego badania, badacze wykorzystują zebrane dane chodu do treningu DNN, a badacze stosują k-krotną metodę walidacji krzyżowej, aby losowo podzielić dane chodu uczestników na 5 zbiorów, z których 4 są używane jako trening dane, podczas gdy pozostałe są używane jako dane testowe, a testowanie zostanie powtórzone 5 razy. Następnie badacze porównają obserwacje kliniczne uzyskane przez fizjoterapeutów/terapeutów z wynikami modelu DNN, aby sprawdzić, czy model DNN jest dostępny do różnicowania chodu z okrężnicą, opadającej stopy, wędrówek biodrowych i wygięcia kolana.