Оценка динамического баланса и адаптивности походки у лиц с неврологическими заболеваниями на основе машинного обучения с использованием инерционных датчиков

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8640 (2023) Цитировать эту статью

576 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Плохой динамический баланс и нарушение адаптации походки к различным условиям являются отличительными чертами людей с неврологическими расстройствами (PwND), что приводит к трудностям в повседневной жизни и повышенному риску падений. Поэтому частая оценка динамического баланса и адаптивности походки необходима для мониторинга развития этих нарушений и/или долгосрочных последствий реабилитации. Модифицированный динамический индекс походки (mDGI) — это валидированный клинический тест, специально предназначенный для оценки аспектов походки в клинических условиях под наблюдением физиотерапевта. Следовательно, необходимость клинической среды ограничивает количество оценок. Носимые датчики все чаще используются для измерения баланса и передвижения в реальных условиях и могут позволить увеличить частоту мониторинга. Целью данного исследования является предварительная проверка этой возможности с использованием вложенных регрессоров машинного обучения с перекрестной проверкой для прогнозирования показателей mDGI, равных 95 PwND, с помощью инерционных сигналов, собранных в ходе коротких периодов ходьбы в устойчивом состоянии, полученных в результате теста 6-минутной ходьбы. Были сравнены четыре различные модели: по одной для каждой патологии (рассеянный склероз, болезнь Паркинсона и инсульт) и одна для объединенной мультипатологической когорты. Объяснения модели были рассчитаны для наиболее эффективного решения; модель, обученная на мультипатологической когорте, дала медиану (интерквартильный размах) абсолютной ошибки теста 3,58 (5,38) балла. В общей сложности 76% прогнозов находились в пределах минимального обнаруживаемого изменения mDGI в 5 баллов. Эти результаты подтверждают, что измерения ходьбы в устойчивом состоянии предоставляют информацию о динамическом балансе и адаптивности походки и могут помочь врачам определить важные особенности, которые необходимо улучшить во время реабилитации. Будущие разработки будут включать в себя обучение методу с использованием коротких периодов ходьбы в устойчивом состоянии в реальных условиях, анализ возможности этого решения для усиления мониторинга производительности, обеспечения быстрого выявления ухудшений/улучшений и дополнения клинических оценок.

Здоровые люди легко адаптируются к возмущениям окружающей среды: восстанавливаются от внешних импульсов и осваивают динамику ходьбы в разных контекстах. Передвижение требует постоянной модуляции координации внутри и между конечностями для поддержания равновесия во время движения и удовлетворения требований, исходящих из реальной среды (например, переход от ходьбы по прямой к преодолению препятствия)1. Для достижения этой цели центральная нервная система использует сенсомоторный контроль, который передает и интегрирует зрительные, проприоцептивные и вестибулярные сенсорные сигналы для обнаружения отклонений от вертикального положения и генерации соответствующей мышечной реакции для коррекции этих отклонений1, 2. Поскольку сенсомоторная обратная связь изменяется у лиц с неврологическими расстройствами (PwND) нарушается динамическое равновесие (т.е. способность сохранять равновесие при движении тела) и его адаптивность к изменениям окружающей среды3, что приводит к высокому риску падения. Фактически, наиболее часто встречающимися предикторами падений являются нарушения походки и нарушения равновесия4. Таким образом, было разработано множество инструментов оценки динамического баланса, включая клинические шкалы5, количественные маркеры походки6, постурографию7, протоколы предотвращения падений8, а также тесты с одной и двумя задачами9. Что касается клинических шкал, то шкала баланса Берга10, MiniBESTest10, тест на время подъема и движения (TUG)11 и модифицированный индекс динамической походки (mDGI)12, 13 являются одними из наиболее часто используемых в клинической практике для измерения баланса при PwND. По сравнению со шкалой Берга, которая не оценивает динамическое равновесие во время передвижения, а также TUG и MiniBESTest, которые оценивают этот аспект в нескольких функциональных заданиях (т. е. одно задание в TUG и пять заданий в MiniBESTest), mDGI специально посвящен измерение способности человека сохранять равновесие и адаптировать походку в условиях различных требований окружающей среды, что необходимо для выполнения повседневной двигательной активности без падений. mDGI оценивает восемь аспектов походки; он оценивает расстояние, время, окружающую среду, местность, физическую нагрузку, внимание и постуральные переходы, которые являются репрезентативными для требований окружающей среды идущего человека. Максимально возможный балл по mDGI – 64 балла. mDGI был тщательно проверен у пациентов с нарушениями подвижности14, 15 и в различных патологических когортах, таких как инсульт (ST), вестибулярная дисфункция, рассеянный склероз (РС), черепно-мозговые травмы и болезнь Паркинсона (БП)12, 13. Недавно Торчио и др. предоставили пороговые значения для идентификации PwND с отсутствием или минимальным риском падений (показатель mDGI \(> 49\)) и PwND с высоким риском падений (показатель mDGI \(\le 29\))16. Минимальное обнаруживаемое изменение mDGI составляет 5 баллов в PwND14, 15.