Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تشخیص خودکار شدت اختلالات حرکتی بیماری پارکینسون با استفاده از مدل سلسله‌ مراتبی بدون‌ نظارت و شبکه‌های عصبی سایامیز مبتنی بر حسگرهای پوشیدنی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوالکتریک، دانشکدة مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امطرکبیر، تهران، ایران

2 بیوالکتریک، مهندسی پزشکی، امیرکبیر، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2026.2086193.2022
چکیده
ماهیت پویای اختلالات حرکتی بیماری پارکینسون، ارزیابی‌های بالینی مبتنی بر معیار UPDRS را به فرآیندی زمان‌بر و وابسته به تخصص پزشک تبدیل می‌کند. اگرچه استفاده از حسگرهای پوشیدنی و الگوریتم‌های یادگیری ماشین راهکاری عینی برای تحلیل این اختلالات ارایه می‌دهند، اما پیچیدگی الگوهای حرکتی و کمبود داده‌های برچسب‌دار، کارایی این مدل‌ها را، بویژه در کاربرد روش‌های یادگیری عمیق، با محدودیت‌های مواجه ساخته است.

در این پژوهش یک چارچوب دو مرحله‌ای به‌منظور تشخیص و تعیین شدت اختلالات حرکتی بیماری پارکینسون، با تکیه بر استخراج ویژگی بدون‌نظارت و طبقه‌بندی مبتنی بر شباهت پیشنهاد شده است. در مرحله‌ی نخست، از یک مدل استخراج ویژگی سلسله‌‌مراتبی بر پایه‌ی چارچوب بدون‌سرپرستی HUF بهره گرفته شده که با ترکیب شبکه‌های پیچشی و خودرمزنگارها، فرآیند استخراج و ادغام ویژگی‌های حرکتی را به‌صورت ساختار یافته در سه سطح کانال حسگر، حسگرهای هم‌مکان و مجموعه حسگرهای دخیل در هر حرکت انجام می‌دهد. در مرحله‌ی دوم، به‌منظور غلبه بر چالش کمبود داده‌های برچسب‌دار، رویکردی مبتنی بر فرایادگیری و شبکه‌های سایامیز برای طبقه‌بندی ویژگی‌ها ارایه شده که در مقابل استفاده مستقیم برچسب داده‌ها، ویژگی‌های حرکتی را در یک فضای بازنمایی جدید نگاشت داده و فرآیند تصمیم‌گیری را بر اساس سنجش میزان شباهت میان توزیع ویژگی‌ها با یک مجموعه ویژگی‌های مرجع از پیش ‌تعیین ‌شده مقایسه می‌کند و کلاس با بیشترین شباهت را بر می‌گزیند.

مدل پیشنهادی بر روی مجموعه ‌داده‌ی PD-BIOSTAMP برای سه آزمون حرکتی شامل راه‌رفتن، و چرخش مچ دست راست و چپ مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج در حالت تشخیص پارکینسون، به ترتیب به صحت‌های ۹۰٪، ۹۳٪ و ۸۶٪ دست یافته‌است. همچنین در حالت تعیین سطح بیماری، با اتخاذ راهبرد طبقه‌بندی سلسله‌مراتبی یکی-مقابل-یکی، صحت‌های ۷۹٪، ۷۴٪و ۷۷٪ به ترتیب برای سه حرکت مذکور حاصل شد. این نتایج اثبات می‌کند که چارچوب بدون‌سرپرست پیشنهادی، توانایی بالایی در استخراج و طبقه‌بندی الگوهای حرکتی با استفاده از داده‌های چندکاناله‌ی حسگرهای پوشیدنی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Automatic Detection of Parkinson’s Disease Motor Impairment Severity Using a Hierarchical Unsupervised Model and Siamese Neural Networks Based on Wearable Sensors

نویسندگان English

Farshad Almasganj 1
Saeid Arabzadeh 2
Mohamad Mahdi Ahmadi 2
1 Bioelectric department, biomedical engineering faculty, Amirkabir university of technology, tehran, Iran
2 Biomedical Engineering, Amirkabir, Tehran, Iran
چکیده English

The dynamic nature of Parkinson's disease motor disorders makes clinical assessments based on the UPDRS rating scale a time-consuming and expert-dependent process. Although the use of wearable sensors and machine learning algorithms provides an objective solution for analyzing these disorders, the complexity of motor patterns and the scarcity of labeled data have limited the efficiency of these models, particularly in the application of deep learning methods.

In this study, a two-stage framework is proposed to diagnose and determine the severity of Parkinson's disease motor disorders, relying on unsupervised feature extraction and similarity-based classification. In the first stage, a hierarchical feature extraction model based on the unsupervised HUF framework is utilized. By combining convolutional networks and autoencoders, this model systematically performs the extraction and fusion of motor features at three levels: sensor channels, co-located sensors, and the entire set of sensors involved in each movement. In the second stage, to overcome the challenge of limited labeled data, an approach based on meta-learning and Siamese networks is introduced for feature classification. Rather than using data labels directly, this method maps motor features into a novel representation space and makes decisions by measuring the similarity between the feature distributions and a predefined set of reference features, ultimately selecting the class with the highest similarity.

The proposed model was evaluated on the PD-BIOSTAMPRC21 dataset for three motor tasks, including walking, pronation-supination of right and left hand. For Parkinson's detection, the results achieved accuracies of 90%, 93%, and 86%, respectively. Additionally, for determining the disease severity level, by adopting a hierarchical one-vs-one classification strategy, accuracies of 79%, 74%, and 77% were obtained for the three mentioned movements, respectively. These results demonstrate that the proposed unsupervised framework has a high capability in extracting and classifying motor patterns using multi-channel data from wearable sensors.

کلیدواژه‌ها English

Parkinson Disease'
s, Deep Learning, Hierarchical Model, Classification with templet matching, Auto encoder, Convolutional Neural Network, Wearable Sensors

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 17 تیر 1405

  • تاریخ دریافت 03 اسفند 1404
  • تاریخ بازنگری 16 تیر 1405
  • تاریخ پذیرش 17 تیر 1405