관성센서를 이용한 신경질환자의 기계학습 기반 동적 균형 및 보행 적응성 추정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8640(2023) 이 기사 인용

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열악한 동적 균형과 다양한 상황에 대한 보행 적응 장애는 신경 장애(PwND) 환자의 특징이며 일상 생활에 어려움을 겪고 낙상 위험이 증가합니다. 따라서 동적 균형과 보행 적응성에 대한 빈번한 평가는 이러한 손상의 진행 및/또는 재활의 장기적인 효과를 모니터링하는 데 필수적입니다. 수정된 동적 보행 지수(mDGI)는 물리치료사의 감독 하에 임상 환경에서 보행 측면을 평가하는 데 특별히 전념하는 검증된 임상 테스트입니다. 결과적으로 임상 환경의 필요성으로 인해 평가 횟수가 제한됩니다. 웨어러블 센서는 실제 상황에서 균형과 운동을 측정하는 데 점점 더 많이 사용되고 있으며 모니터링 빈도가 높아질 수 있습니다. 이 연구는 중첩된 교차 검증 기계 학습 회귀기를 사용하여 6분 걷기 테스트에서 파생된 짧은 정상 상태 걷기 시합에서 수집된 관성 신호를 통해 95 PwND의 mDGI 점수를 예측함으로써 이 기회에 대한 예비 테스트를 제공하는 것을 목표로 합니다. 각 병리학(다발성 경화증, 파킨슨병 및 뇌졸중)에 대해 하나씩, 통합된 다중병리학적 코호트에 대해 하나씩, 4개의 서로 다른 모델을 비교했습니다. 모델 설명은 가장 성능이 좋은 솔루션에 대해 계산되었습니다. 다중병리학적 코호트에 대해 훈련된 모델은 3.58(5.38) 포인트의 중앙값(사분위수 범위) 절대 테스트 오류를 ​​산출했습니다. 전체적으로 예측의 76%가 mDGI의 감지 가능한 최소 변화인 5포인트 내에 있었습니다. 이러한 결과는 정상 상태 걷기 측정이 동적 균형 및 보행 적응성에 대한 정보를 제공하고 임상의가 재활 중에 개선해야 할 중요한 기능을 식별하는 데 도움이 될 수 있음을 확인합니다. 향후 개발에는 실제 환경에서 짧은 정상 상태 걷기 시합을 사용하는 방법 교육, 성능 모니터링을 강화하기 위한 이 솔루션의 타당성 분석, 악화/개선에 대한 즉각적인 감지 제공, 임상 평가 보완 등이 포함될 것입니다.

건강한 사람들은 환경의 변화에 ​​쉽게 적응합니다. 그들은 외부 충동으로부터 회복하고 다양한 상황에서 걷는 역학을 배웁니다. 운동은 진행 중에 평형을 유지하고 실제 환경에서 발생하는 요구를 수용하기 위해(예: 직선 걷기에서 장애물 위로 걷기까지) 팔다리 내 및 팔다리 사이의 조정을 지속적으로 조정해야 합니다1. 이 목표를 달성하기 위해 중추 신경계는 시각, 고유 감각 및 전정 감각 입력을 전달하고 통합하는 감각 운동 제어를 활용하여 직립 자세의 편차를 감지하고 이러한 편차를 교정하기 위한 적절한 근육 반응을 생성합니다1, 2. 감각 운동 피드백이 변경되기 때문입니다. 신경 장애(PwND)가 있는 사람의 경우 동적 균형(즉, 몸을 움직이는 동안 균형을 유지하는 능력)과 환경 변화에 대한 적응력이 손상되어3, 낙상의 위험이 높습니다. 실제로 가장 흔하게 발견되는 낙상 예측 요인은 보행 장애와 균형 장애입니다4. 따라서 임상 척도5, 정량적 보행 마커6, 자세 조영술7, 낙상 예방 프로토콜8, 단일 및 이중 작업 테스트9를 포함한 많은 동적 균형 평가 도구가 개발되었습니다. 임상 척도와 관련하여 Berg 균형 척도10, MiniBESTest10, TUG(Timed Up and Go)11 및 수정된 동적 보행 지수(mDGI)12, 13는 PwND의 균형을 측정하기 위해 임상 실습에서 가장 일반적으로 사용되는 것 중 하나입니다. 이동 중 동적 균형을 평가하지 않는 Berg 척도와 몇 가지 기능적 작업(예: TUG의 1개 작업, MiniBESTest의 5개 작업)에서 이러한 측면을 평가하는 TUG 및 MiniBESTest와 비교하여 mDGI는 특별히 다음에 전념합니다. 넘어지지 않고 일상 생활에서 운동 활동을 수행하는 데 필수적인 다양한 환경 요구 사항이 있는 상황에서 균형을 유지하고 보행을 적응시키는 개인의 능력을 측정합니다. mDGI는 보행의 8가지 측면을 평가합니다. 걷는 인간의 환경적 요구를 대표하는 거리, 시간, 주변, 지형, 신체적 부하, 주의력 및 자세 전환을 평가합니다. mDGI의 최고 점수는 64점입니다. mDGI는 이동 장애가 있는 피험자와 뇌졸중(ST), 전정 기능 장애, 다발성 경화증(MS), 외상성 뇌 손상 및 파킨슨병(PD)12, 13과 같은 다양한 병리학적 집단에서 광범위하게 검증되었습니다. Torchioet al. 낙상 위험이 없거나 최소인 PwND(mDGI 점수\(>49\))와 낙상의 위험이 높은 PwND(mDGI 점수\(\le 29\))를 식별하기 위한 컷오프 값을 제공했습니다16. mDGI에서 감지할 수 있는 최소 변화는 PwND14, 15에서 5포인트입니다.