信號處理方法及裝置製造方法
2023-08-05 19:39:31
信號處理方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了用於檢測受試者的運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙症狀的信號處理算法及裝置，使用三維傳感器以追蹤手指和手的位置。本發明提供了笛卡爾遺傳編程網絡和這種網絡的特定函數塊，從而能夠識別出表現了這種症狀的受試者。
【專利說明】信號處理方法及裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及生成信號處理算法的方法，其用於處理表示受試者手指的時變空間位置，或用於識別表現出運動徐緩和/或震顫，或其他神經功能障礙症狀的受試者的手指和拇指的相對位置的信號。本發明還涉及應用這樣開發的算法的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]帕金森氏病(Parkinson’s disease, PD)是一種慢性的、進行性的神經系統變性疾病，其由於大腦中多巴胺能神經元的丟失而產生，但其原因未明。1817年，英國醫生詹姆斯?帕金森(James Parkinson)首先記載了 H)。他在一篇名為「震顫性麻痺」的文章中描述了該疾病，即「無意識震顫運動，伴隨著肌肉力量的減少，甚至有些部分在受到支持時也活動不了，軀幹容易向前彎曲並且步速容易從行走轉變為跑步」。該記載描述了與今天的ro相關的許多特性。
[0003]PD的發病非常緩慢並且許多患者無法記起他們的症狀是何時開始出現的。帕金森氏病的早期症狀常常模糊不清且不明確，並且在許多其他症狀中通常還包括疲倦、疲勞、厭煩、肌肉酸痛和痙攣。ro有三個主要的運動特性；即，震顫、肌強直和運動徐緩。
[0004]在文獻中，運動徐緩、運動不能和運動功能減退通常被混淆。運動徐緩被定義為持續運動的遲緩，而運動不能是無法始發隨意運動，以及運動功能減退是運動的減少。這些特性是否相關還是未知，儘管一項研究評估了運動徐緩和運動功能減退之間的相關性，並得出結論這兩種特性之間缺乏相關性。這意味著在文獻中「運動徐緩」經常用於包含運動困難的許多不同方面，包括始發運動的反應時間延長、停止錯誤動作的時間延長、改變運動模式的時間延長、在長期任務中迅速疲勞，以及執行運動緩慢(例如，參見van Hilten, J.等，「帕金森氏病中的運動徐緩和運動功能減退:名稱是什麼？ 」，《神經傳導雜誌(Journal ofNeural Transmission))),. 1998年,第105卷,第229-237頁)。儘管尚未取得單一機制，已經提供了幾種建議來解釋為什麼ro受試者比正常受試者移動更慢。這些建議包括以下方案，運動徐緩由力的生產減少引起，PD受試者採用緩慢移動的行為策略以維持他們的準確性，以及運動徐緩可能由內部組織運動輸出能力的基本缺陷引起(Majsak, M.等在自主最大速度和視覺提示條件下的帕金森氏病患者的達到運動」，《腦(Brain)》，1998年，第121卷，第 755-766 頁)。
[0005]Berrardelli等人(「帕金森氏病中的運動徐緩的病理生理學」,《腦(Brain)》, 2001年，第124卷，第2131-2146頁)已經考慮了導致運動徐緩的五個因素。分別是:
[0006]1.肌肉無力，其可能導致某些肌肉群移動緩慢；
[0007]i1.肌強直，其可能導致反應較慢；
[0008]ii1.震顫，其可能是延長反應時間的因素並且持續的動作性震顫可能導致肌肉無力；
[0009]iv.運動變形，即ro受試者的動作不如正常受試者準確，特別是當他們必須迅速行動時；以及[0010]V.思想緩慢(思想遲鈍)，其可能干擾運動預期並增加運動時間。
[0011]通常在患者中觀察的運動徐緩表現為面部不動(表情缺乏)、瞬目極少、缺乏正常姿態和缺乏表情，以及被稱為「凍結」的持續運動的突然停止。運動徐緩被認為會出現在77-98%的病例中；然而，它也出現在許多其他相關的疾病中(包括進行性核上麻痺、多系統萎縮、阿爾茨海默病和抑鬱症)，以及也常見於老年人中(「帕金森氏病中的運動徐緩的病理生理學」，《腦(Brain)》，2001年，第124卷，第2131-2146頁)。
[0012]除了上述的主要症狀，還有很多與ro相關的其他特性。其他特性包括:行走時手臂擺動減少、曳行步態和屈曲體姿、跌倒；小寫症(小而模糊的字跡)，其因為手動作笨拙和精細動作困難，帕金森構音障礙(言語障礙)。據估計這些特性會出現在超過75%的ro患者中並且可能包括聲音低沉、單調、不精確的發音，和/或障礙率，吞咽困難(難以吞咽)，其可導致流涎和營養狀態不良，思想遲鈍(思想緩慢)，抑鬱症，估計抑鬱症出現在40-50%的患者中，認知問題和痴呆，其估計出現在48-80%的患者中，嗅覺功能障礙(嗅覺缺乏)，其被認為會影響70%的患者和睡眠障礙。
[0013]術語「帕金森症」是指任何條件下表現出ro常見的運動症狀(震顫、肌強直和運動徐緩)，因此一些患有帕金森症的患者並沒有先天的帕金森氏病(在本研究中僅僅指帕金森氏病)。PD是這些症狀的最常見原因，然而一項對帕金森症患者的研究發現，65%患有帕金森氏病，18%患有藥物引發的帕金森症，7%患有血管性帕金森症(由供應大腦的小血管內的堵塞所造成)以及10%患有非典型帕金森症。最常見的非典型帕金森綜合症為多系統萎縮(MSA)和進行性核上麻痺(PSP)，同時也包括瀰漫性Lewy體疾病、皮質基底節變性和過度暴露於某些物質(如錳和MPTP )。
[0014]因此，運動徐緩在疾病診斷或對藥物或毒素響應的重要元素。儘管在診斷手段中具有核心作用，但是識別運動徐緩的本身不是對任何特定臨床情況的診斷。
[0015]敲擊測試常用於對ro運動緩慢的藥物效應的量化並在下文描述。
[0016]許多不同類型的設備被用來測量ro患者的敲擊速率，包括:具有觸摸板的電子觸控螢幕(Muir，S.等，「正常和帕金森氏病受試者的單個和多個手指敲擊的測量及分析」，《帕金森氏病及有關疾患(Parkinsonism&Related Disorders))), 1995 年，第 I 卷第 2 期，第 89-96頁)；電腦鍵盤(Giovanni，G.等，「運動徐緩運動不能不協調測試(大腦測試):對上肢運動功能的客觀計算機化評估」，《神經病學、神經外科學、精神病學雜誌(J Neurol NeurosurgPsychiatry))), 1999年,第67卷,第624-629頁),計算機界面音樂鍵盤(Tavares, A.等,「與UPDRS運動性殘疾對照的帕金森氏病的手指交替敲擊的定量測量以及揭示來自藥物和深部大腦刺激的精細運動控制中的改進」，《運動失調(Movement Disorders)》, 2005年,第20卷第10期,第1286-1298頁),按鈕(與微機相接)和加速計(Dunnewold, R.，Jacobi, C.和van Hilten, J., 「帕金森氏病患者運動徐緩的定量評估」,《神經科學方法雜誌(Jounral ofNeuroscience Methods))), 1997 年，第 74 卷，第 107-112 頁)。
[0017]上述所有研究發現ro患者具有明顯低於正常對照組受試者的敲擊速率。許多研究已經發現，敲擊速率與UPDRS量表中的運動部分所給出的等級很好地對應。
[0018]R.Dunnewold等人測量了受試者的運動時間及其敲擊分數。在這項研究中使用的運動時間被計算作為受試者對視頻顯示器中的視覺刺激的反應時間。結果表明受試者的敲擊速率和運動時間之間具有高於0.75的相關性，然而UPDRS量表的運動部分中的分數與敲擊速率和運動時間之間具有較低的相關性。許多其他的研究也考慮了受試者響應於不同刺激的反應時間(從「開始(go)」信號直到運動開始的時間)和運動時間(從運動開始直到達到目標的時間)。運動時間是運動徐緩的生理相關量，而反應時間是運動不能的相關量。這些研究發現ro患者表現出與對照組相比明顯延長的反應時間。
[0019]R.Watts等人(「早期帕金森氏病的電生理學分析」，《神經學(Neurology)》，第41卷，增刊2，1991)使用了具有一個「開始(Start)」位置和兩個「目標」位置的簡單觸控螢幕以測量反應時間。兩個任務被採用；第一，其中目標位置在「開始(go)」信號發出之前被指定，以及第二，其中目標位置顯示在「開始(go)」信號上。結果發現，與目標位置被預定義的對照組相比，患者的反應時間延長了，但是在受試者必須在「開始(go)」信號上選擇目標的情況中ro患者的反應時間並沒有延長。與對照組相比，發現ro受試者在兩個任務中的運動時間都延長了。
[0020]M.Zappia,等人(Zappia, M.等,「運動時間在評估帕金森氏病中的有效性」,《神經學雜誌(J Neurol))), 1994年，第241卷，第543 - 550頁)比較了應用左旋多巴之前和之後的運動時間和反應時間。結果發現，在停止治療後，最受影響側的運動時間和反應時間顯著地與ro的嚴重性相關。在應用左旋多巴後，運動時間改善與ro嚴重程度相關，而反應時間並沒有這種相關。
[0021]M.Hallett和S.Khoshbin (「運動徐緩的生理機制」，《大腦(Brain)》，第103卷,1980年，第301-314頁)在1980年對患者和對照組的優勢臂的快速肘部動作進行了一項研究。受試者坐在椅子上，他們的手臂被綁在具有包含電位器的鉸鏈的夾板上，該電位器能夠將肘部的旋轉轉換成可變電壓。受試者做出快速、準確的屈肘運動，從120°開始，轉動到80°、100°和110°。結果發現，正常的受試者在相同量的時間內做出所有這些運動，具有二頭肌，肱三頭肌和二頭肌肌肉的連續脈衝的單一的「三相」模式。大多數ro患者出現比從對照組看到的三個脈衝活動更長的交替脈衝(多達12個脈衝)，其對於更長的運動往往出現更多次。這被認為體現了運動徐緩的生理機制。
[0022]K.Maitra和A.Dasgupta (「在評估帕金森氏病中運動時間的有效性」,《神經學雜誌(J Neurol)》，1994年，第241卷，第543-550頁)進行了一項利用快速觸及-抓握運動而不對ro患者進行任何視覺刺激的研究。磁跟蹤器記錄受試者上臂的運動(測量觸及)和食指的運動(測量抓握)。該實驗在昏暗的房間裡進行，其中受試者上臂放在其身體的旁邊站立，在沒有任何真實物體要抓握的情況下，根據「開始(go)」命令，完成快速觸及並抓握運動。結果發現，對照組在近乎對稱的加速和減速階段的光滑的單峰速度下迅速地完成每個動作。在重複試驗中角運動具有極小變化。然而，ro患者運動得慢很多並且幅度較小，在重複試驗中具有較大的變化。ro患者的整個運動似乎是有相繼的，而不是像對照組患者那樣連續的。可以得出的是，ro參與者的運動徐緩是因為從一種運動項目轉換到另一種運動項目存在缺陷。
[0023]敲擊測試常用於對ro的運動緩慢藥物效應的量化，並且在先前研究中許多不同類型的設備用來測量ro患者的敲擊速率。很多的研究也考慮了受試者響應於一個刺激的反應時間和運動時間。在UPDRS量表中，運動徐緩是通過要求患者在左右兩手中進行手指敲擊、手部運動以及手部的快速交替運動來測量的。以下示出了在UPDRS量表中用來測量運動徐緩的任務:[0024]敲擊測試通常由受試者在30秒內儘可能多次地用他們的食指敲擊他們的大拇指來完成。
[0025]在該研究中選擇用於觀察靜止性震顫和運動徐緩的任務都是基於手部的，所以對最有用數據的收集是通過將傳感器附接在參與的受試者的手部而獲得的。由於敲擊測試涉及受試者的拇指和食指，運動徐緩任務的傳感器被連接到拇指和食指上。在敲擊測試中，手指的大部分運動發生在手指末端，因此其中一個傳感器應放置在受試者拇指的指甲上並且另一個傳感器應放在受試者食指的指甲上。
[0026]然而，沒有可靠的技術能夠檢測運動徐緩，因此發明人已經運用新穎的計算技術來檢測運動徐緩。
【發明內容】
[0027]因此，在第一方面，發明人提供了一種生成信號處理算法的方法，其用於處理表示手指和拇指位置的信號，從而在要求的判別置信度內識別表現出運動徐緩或震顫的受試者，所述方法包括以下步驟:
[0028](I)提供多個患者位置數據組，每組表示多個表現出運動徐緩或震顫的受試者中的每一個在敲擊測試過程中的手指和拇指的三維位置數據的時間序列；
[0029](2)提供多個對照組位置數據組，每組表示多個對照組受試者中的每一個在敲擊測試過程中的手指和拇指的三維位置數據的時間序列；
[0030](3)處理所述位置數據組以產生表示對於每個相應的敲擊測試的手指相對於拇指的加速度的時間序列的患者加速度數據組和對照組加速度數據組；
[0031](4)提供用於構造笛卡爾遺傳編程(CGP)網絡的一組函數塊；
[0032](5)提供一個適應度函數，用於在所述對照組加速度數據組和所述患者加速度數據組之間的判別中測量所述CGP網絡的成功率；
[0033](6)應用所述函數塊配置初始CGP網絡，所述網絡接收多個包括加速度數據組中的相鄰值的輸入數據並且產生推定表示存在或不存在運動徐緩或震顫的單個輸出值；
[0034](7)通過朝向提高適應度的順序進化變異和選擇來優化所述初始CGP網絡，直到實現所述期望的判別置信度。
[0035]在臨床研究中，「敲擊測試」常用於對作用在ro運動緩慢的藥物效應的量化，並且對本領域技術人員來說是眾所周知的。例如，下述文獻中對該測試進行了描述:B0raud，T.，Tison, F.和Gross, C的「帕金森氏病中運動緩慢的量化:敲擊測試與單個關節衝擊運動參數之間的相關性」，《帕金森氏病及有關疾患》，1997年，第3卷，第I期，第47-50頁。在敲擊測試中，受試者必須在設定時間內完成儘可能多次的敲擊。在常用的UPDRS量表(統一帕金森氏病分級量表)中，敲擊測試用來評估運動徐緩，其中患者被要求用他們的食指快速連續地敲擊拇指並計算在30秒內敲擊的次數。因此，為了提供適當的數據組以生成這種信號處理算法，優選地在約30秒的時間間隔內收集手指和拇指位置數據，也就是說至少20秒，優選為至少30秒。
[0036]下面將描述可用來收集數據組的傳感器的適當位置。發明人發現至少IOHz的數據採樣率是必須的；優選地，採樣率為至少20Hz，或甚至為至少30Hz、50Hz或60Hz。這些採樣率能夠在敲擊任務的預期時間段內捕獲足夠的數據。[0037]先前對運動徐緩的機器測量的研究僅限於二維任務中，如在圖形輸入板中追蹤圖形。發明人發現通過應用手指位置的三維傳感器可以實現對存在或不存在運動徐緩改進的判別，從而提供一個主治臨床醫師更熟悉的測試，並且更有能力與使用手工測試的現有研究相比較。雖然以前已經嘗試將敲擊測試結果的解釋「自動化」，但是這些主要涉及敲擊速率的測量。本發明消除了需要預定特徵以形成評估基礎的限制，並允許進化算法優化信號處理方案而不受這種限制。採用這種方法，受試者手指和拇指運動的迄今未知的特徵能夠在判別算法中發揮作用。
[0038]此外，這種測試能夠在三維中(S卩，未將受試者運動限制在一個平面內)進行使得該測試對患者來說壓力更小，他們中的許多人可能具有壓力、抑鬱和痴呆的相關症狀。
[0039]本領域技術人員能夠選擇從位置數據組導出加速度數據的方法。然而，本文將描述特別優選的方法，其在生成適當算法方面具有特定優勢。
[0040]鑑於本教導，本領域技術人員將能夠構造CGP網絡以處理數據組。Smith，S.L.等人在《遺傳、程序、進化、機械(Genet.Program.Evolvable.Mach.))) (2007) 8:433 - 447 中描述了類似的網絡。以下將更詳細地描述特別適合的網絡。
[0041]優選地，在步驟(3)中對位置數據組的處理包括對患者和對照組速度數據組的中間計算，該速度數據組表示每個相應的敲擊測試中手指相對於拇指的速度數據的時間序列，採用窗口大小為2的滑動平均濾波器平滑所述速度數據組。出乎意料地，發明人發現採用窗口大小為2的滑動平均濾波器提供了去除噪聲的最佳濾波效果，同時還保留了數據中的足夠信息內容以使進化算法能夠正確運行。超過3的窗口尺寸導致算法的適應度降低。該滑動平均濾波器的形式為yn=0.5* (i+Xm)，其中y為數據點n的濾波器輸出，以及x為輸入數據。
[0042]在本發明的任何方面，優選的是在步驟(3)中對位置數據組的處理包括對患者和對照組速度數據組的中間計算，該速度數據組表示每個相應的敲擊測試中手指相對於拇指的速度數據的時間序列，所述速度數據組被限幅在平均速度的一個標準偏差內。
[0043]在第二個相關方面中，本發明提供了一種生成信號處理算法的方法，其用於處理表示手指和拇指位置的信號，從而在要求的判別置信度內識別表現出運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙症狀的受試者，所述方法包括以下的步驟:
[0044](I)提供多個患者位置數據組，每組表示多個表現出運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙症狀的受試者中的每一個在運動功能測試過程中的手指/拇指的三維位置數據的時間序列；
[0045](2)提供多個對照組位置數據組，每組表示多個對照組受試者中的每一個在運動功能測試過程中的受試者手指的三維位置數據的時間序列；
[0046](3)處理所述位置數據組以產生表示對於每個相應的運動功能測試的手指的加速度的時間序列的患者加速度數據組和對照組加速度數據組；
[0047](4)提供用於構造笛卡爾遺傳編程(CGP)網絡的一組函數塊；
[0048](5)提供一個適應度函數，用於在所述對照組加速度數據組和所述患者加速度數據組之間的判別中測量所述CGP網絡的成功率；
[0049](6)應用所述函數塊配置初始CGP網絡，所述網絡接收多個包括加速度數據組中的相鄰值的輸入數據並且產生推定表示存在或不存在運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙的單個輸出值；
[0050](7)通過朝向提高適應度的順序進化變異和選擇來優化所述初始CGP網絡，直到實現所述期望的判別置信度。
[0051]在該第二方面的一個優選實施例中，運動功能測試包括如追蹤幾何圖形的構造任務。特別合適的幾何圖形包括多邊形螺旋、互連的五角形和線立方體。
[0052]在該第二方面的另一個優選實施例中，運動功能測試包括抓握測試，如「觸及並抓握」任務。
[0053]同樣在本發明的任何方面中，優選的是，所述函數塊包括具有兩個輸入(X和Y)和一個輸出(OP)的函數，所述輸出具有有限範圍的值，並且其中每個所述函數塊配置有以下的特徵:
[0054](I)如果X和Y的絕對差值大於預設值，那麼所述輸出為相對較大的數字；
[0055](2)如果X和Y的絕對差大於第二預設值，那麼所述輸出為小於(I)中輸出的數字，但優選地大於該範圍的中間點；
[0056](3)如果X和Y的絕對差值小於第三預設值，那麼所述輸出為相對較小的數字；
[0057](4)如果X和Y的絕對差值小於第四預設值，那麼所述輸出為大於(3)中輸出的數字，但小於(2)的輸出，所述第四預設值大於第三預設值，且小於第二預設值；
[0058](5)所述輸出為X和Y的平均值。
[0059]X和Y的值通常為計算得到的加速度或速度數據。
[0060]有利地，第一至第四預設值和取值範圍的中心，即與鄰近值大致等間距並且理想情況下為便於處理的整數。
[0061]同樣在本發明的任何方面，優選的是，所述適應度函數包括受試者操作特性曲線下的面積。
[0062]本發明還提供了用於檢測受試者的運動徐緩的裝置，包括:
[0063]第一三維位置傳感器，其適於固定在受試者的拇指上；
[0064]第二三維位置傳感器，其適於固定在受試者的相對手指上；
[0065]信號處理器，其配置為採用本文所述的方法生成的算法處理來自上述傳感器的位置數據的時間序列。
[0066]本發明還提供了檢測受試者震顫的裝置，包括:
[0067]三維位置傳感器，其適於固定在受試者的一個手指上；
[0068]信號處理器，其配置為採用本文所述的方法生成的算法處理來自傳感器的位置數據的時間序列。
[0069]本發明還提供了用於檢測震顫、運動徐緩或其他神經功能障礙症狀的裝置，包括:
[0070]第一三維位置傳感器，其適於固定在受試者的一個手指上；
[0071]第二三維位置傳感器，其適於固定在受試者的相對手指上；
[0072]第三三維位置傳感器，其適於固定在受試者的手腕上；
[0073]信號處理器，其配置為採用本文所述的方法生成的算法處理來自傳感器的位置數據的時間序列。
[0074]優選地，所述三維位置傳感器連接在手套上，通常被稱為數據手套，其可供用戶佩戴。數據手套在人機互動技術中是已知的，並且已經被用於虛擬實境仿真的領域。在其他有益效果中，數據手套提供了一種方便快捷的方式將位置傳感器以可重複的方式連接到用戶的手指和/或拇指一這在會用到這種裝置的臨床環境中尤為重要，並且特別是如果被評估的受:試者有老年痴呆症的症兆。
[0075]更優選地，所述數據手套包括多個這種傳感器，從而能夠追蹤手指和拇指的運動。
[0076]在特別優選的實施例中，該裝置進一步包括適於可固定到受試者的手腕上的三維位置傳感器。以這種方式，可使用僅提供手指和拇指的相對三維位置的數據手套，而三維手腕位置傳感器用來測量用戶手部的絕對位置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0077]將參照附圖描述本發明，其中:
[0078]圖1示出了多邊形螺旋；
[0079]圖2示出了互連的五角形；
[0080]圖3示出了 一個線立方體；
[0081]圖4示出了 CGP網絡的優選函數塊的範圍；以及
[0082]圖5示出了根據本發明的裝置。
【具體實施方式】
[0083]本文描述了用於檢測神經功能障礙的方法和裝置，並且依賴從患有神經功能障礙的患者以及對照組受試者獲得的數據組的進化算法。受試者可能需要完成許多任務以獲得必要的數據，對應於隨後可能會用到的任務以使用該方法和裝置。
[0084]敲擊任務:在該任務中，受試者被要求反覆地相互敲擊他們的拇指和同一隻手的手指。通常，受試者會被要求在30秒的時間內儘可能快地完成這種敲擊動作。優選地，該任務會在每隻手上重複進行。
[0085]抓握任務:該任務本質上是受試者被要求用手觸及物體，然後抓握並舉起該物體。受試者隨後將物體放回到其原來的位置。在典型的測試中，受試者會坐在桌子旁，如圓柱體或燒杯的物體被放在他們面前的桌子上，在容易伸手可及的地方。該受試者被要求伸出手並抓握圓柱體，並把它從桌子上舉起。隨後，物體再由受試者放回到桌子上。在具體的測試實施例中，直徑為8cm的圓柱體放在受試者面前27cm的位置。這種類型的任務也被稱為「觸及並抓握」任務。該任務通常涉及由每隻手完成的四個任務。具體任務為:
[0086]1.由首頻提不發起的自導任務；
[0087]2.可視化提示任務。例如，圓柱體根據計算機的指令點亮；
[0088]3.由音頻提示發起的第二自導任務。這檢測了從先前的可視化提示任務2所帶來的所有效應；
[0089]4.由音頻提示發起的記憶引導任務，其中受試者閉上他們的眼睛，然後接收音頻提示2-5秒後啟動任務。在受試者伸手拿圓柱體的過程中眼睛始終保持緊閉。
[0090]優選地，受試者被要求連續地用每隻手完成該任務。
[0091]構造任務:該任務與複製幾何圖形相關。受試者被要求複製所提供的圖形，或用鋼筆描出這種圖。特別適用於這種任務的圖形是那些包含需要明顯改變筆的方向的，典型的實施例是如圖1所示的五邊形螺旋，如圖2所示的互鎖的五角形，或圖3的線立方體。此夕卜，優選地，受試者被要求連續地用每隻手完成該任務。
[0092]測量設備
[0093]圖5示意性地示出了根據本發明一實施例的裝置，通常由I表示，包括可固定到用戶拇指3上的第一三維位置傳感器2 ;可固定到用戶的第二相對手指5上的第二三維位置傳感器4 ;以及可固定到用戶的手腕7上的第三三維位置傳感器6。表示來自傳感器的三維位置數據的信號經由傳感器接口 8傳送到包含本文所述算法的信號處理器9。在優選的實施例中，手腕傳感器6提供了相對於固定參考點的三維位置數據，而手指傳感器提供了相對於手腕傳感器6的位置數據。以這種方式，可容易計算手指相對於固定參考點的位置，同時允許更小和成本較低的傳感器應用到手指上。在特別優選的實施例中，所述傳感器可設置為容納在數據手套中。在另一個實施例中，連接到手指和拇指上的傳感器用於檢測和測量與一個或多個其他傳感器的距離。例如可進行測量拇指上的傳感器和相對手指上的傳感器之間的距離。
[0094]這種優選形式的數據手套可由彈力織物製成,如Lycra?,並且具有連接到手套上位置的傳感器。這使得傳感器能夠更方便地裝配到用戶的手部和手指上，這一點在最有可能被使用的臨床環境中尤為重要。這種「數據手套」的一個實例是從美國加利福尼亞的歐文的5DT公司購買的「數據手套超系列」。這總共包含了 14個傳感器以測量手部的全部運動。每個手指上有兩個傳感器，一個傳感器用於關節，一個用於手的第一關節，以及手指之間的誘導傳感器(abduction sensors)。來自每個傳感器的運動以至少75Hz的最小速率被手艮告。
[0095]數據處理
[0096]通過應用以下形式的標準畢達哥拉斯方程，可根據它們各自的三維(Xi ; , Yi ;,Zi ；)空間坐標容易地計算出測量裝置中的任何兩個傳感器之間的距離:
[0097]距尚=[(x「x2)2+Cy1-Y2) 2+ (Z1-Z2)2]0.5
[0098]出乎意料的是，發明人發現，限制(或「限幅」)從實驗任務中獲得的數據顯著地提高了通過本文所公開的技術優化的CGP算法的適應度。數據的規範化也可帶來有益效果。
[0099]通過計算的上限和下限限制速度數據，其中限制數據為限幅。計算每條速度曲線的平均值和標準偏差一每組速度數據的上限被計算為平均速度加上標準偏差，每組速度數據的下限被計算平均速度減去標準偏差。速度曲線中任何高於上限的數據被截斷到上限值，速度曲線中任何低於下限的數據被截斷到下限值。
[0100]結果發現，如以上所解釋的，限制速度曲線內的數據有利於所優化的CGP的適應度。令人驚訝地，與速度數據未被限制時相比速度數據被限制時實現了更高的適應度。
[0101]作為產生本發明的信號處理算法的數據預處理的一個實施例，患者或對照組數據組中的加速度是根據連續樣本之間的速度數據的差異而計算的。在嘗試對量化層級採用不同的梯度範圍和不同數量的量化層級後，發現22編碼層級將用於最終基於加速度的編碼方案，如下所示(其中「梯度」是由兩個傳感器之間的距離計算得到的加速度)。在該實施例中，單位為30Hz下的cm/樣本，其給出了以下的單位:(x300mm/sec2)。梯度範圍_梯度編碼
梯度 >=0.25021
0.250 > 梯度 >=0.22520
0.225 > 梯度 >=0.20019
0.200 > 梯度 >=0.17518
0.175 > 梯度 >=0 15017
0.150 > 梯度 >=0.12516
[0102]
0.125 > 悌度 >=0.10015
0.100> 悌度 >=0.07514
0.075 > 悌度 >=0.05013
0.050 > 悌度 >=0.02512`
0.025 > 梯度 >=0.00011
0.000 > 梯度 >=-0.02510
-0.025 > 梯度 >=-0.0509
-0.050 > 梯度 >=-0.075 8
-0.075 > 梯度 >=-0.100 7
-0.100〉梯度 >=-0.125 6
-0.125 > 梯度 >=-0.150 5
[0103]-0,150〉梯度 >=-0.1754
-0.175> 梯度 >=-0.2003
-0.200 > 梯度 >=-0.2252
-0.225 > 梯度 >=-0.2501-0.250 > 梯度0
[0104]這是線性梯度編碼系統，每個梯度範圍具有相同的寬度。
[0105]在本發明的典型實施例中，可在大約30秒(通常是15到60，90甚至120秒或更多之間)的一個周期內收集速度數據，採樣頻率為約30Hz (通常在IOHz和IOOHz之間)。速度數據將被「限幅」到平均速度的標準偏差內，並且窗口尺寸為2的滑動平均濾波器用於平滑速度限制的數據。然後，加速度數據將由相鄰的速度數據點產生，並且使用如上所述的編碼方案來編碼所產生的加速度數據以量化層級。或者，可以直接根據位置數據計算加速度數據。[0106]具有如上所述的編碼數據，一系列的函數塊和適應度函數被提供給CGP網絡。然後，CGP可被優化並且網絡被參數化以開發最佳CGP網絡。採用本文所述的訓練組的數據訓練CGP。
[0107]CGP的一個特別優選的形式採用了傳統精英策略，其中由用戶指定的個體數量表示在每一代中進化的基因數量。在每一代的結尾，比較進化的基因的適應度，並且具有最高適應度的基因被提升到下一代。這裡，它被複製直到在新一代中具有恰當數量的個體一然後，每個複製品以指定的變異率而變異，並且然後重新計算基因的適應度。
[0108]發明人發現，許多特定形式的函數塊使進化算法的適應度有了出乎意料地提高。以下描述了優選的函數塊，並且如圖4所示，參照以上的編碼方案，其中量化層級介於0和21之間，其中「X」為函數的第一輸入，「Y」為函數的第二輸入，以及「0P」為函數的輸出:
[0109]A (XY)定義為輸入之間的絕對差值，即ABS (X-Y);
[0110]A (XM)定義為X輸入和加速度編碼方案的平均值之間的絕對差值，所以對於上述的編碼方案:
[0111]A (XM) =ABS (X-1l)；
[0112]A (YM)定義為Y輸入和加速度編碼方案的平均值之間的絕對差值，所以對於上述的編碼方案:
[0113]A (YM) =ABS (Y-11)。
【權利要求】
1.一種生成信號處理算法的方法，其用於處理表示手指和拇指位置的信號，從而在要求的判別置信度內識別表現出運動徐緩或震顫的受試者，所述方法包括以下步驟: (1)提供多個患者位置數據組，每組表示多個表現出運動徐緩或震顫的受試者中的每一個在敲擊測試過程中的手指和拇指的三維位置數據的時間序列； (2)提供多個對照組位置數據組，每組表示多個對照組受試者中的每一個在敲擊測試過程中的手指和拇指的三維位置數據的時間序列； (3)處理所述位置數據組以產生表示對於每個相應的敲擊測試的手指相對於拇指的加速度的時間序列的患者加速度數據組和對照組加速度數據組； (4)提供用於構造笛卡爾遺傳編程(CGP)網絡的一組函數塊； (5)提供一個適應度函數，用於在所述對照組加速度數據組和所述患者加速度數據組之間的判別中測量所述CGP網絡的成功率； (6)應用所述函數塊配置初始CGP網絡，所述網絡接收多個包括加速度數據組中的相鄰值的輸入數據並且產生推定表示存在或不存在運動徐緩或震顫的單個輸出值； (7)通過朝向提高適應度的順序進化變異和選擇來優化所述初始CGP網絡，直到實現所述期望的判別置信度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(3)中對位置數據組的處理包括對患者和對照組速度數據組的中間計算，該速度數據組表示每個相應的敲擊測試中手指相對於拇指的速度數據的時間序列，該速度數據組採用窗口大小為2的滑動平均濾波器平滑。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，步驟(3)中對位置數據組的處理包括對患者和對照組速度數據組的中間 計算，該速度數據組表示每個相應的敲擊測試中手指相對於拇指的速度數據的時間序列，該速度數據組被限幅在平均速度的標準偏差內。
4.一種生成信號處理算法的方法，其用於處理表示手指和拇指位置的信號，從而在要求的判別置信度內識別表現出運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙症狀的受試者，所述方法包括以下步驟: (1)提供多個患者位置數據組，每組表示多個表現出運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙症狀的受試者中的每一個在運動功能測試過程中的手指的三維位置數據的時間序列； (2)提供多個對照組位置數據組，每組表示多個對照組受試者中的每一個在運動功能測試過程中的受試者手指的三維位置數據的時間序列； (3)處理所述位置數據組以產生表示對於每個相應的運動功能測試的手指的加速度的時間序列的患者加速度數據組和對照組加速度數據組； (4)提供用於構造笛卡爾遺傳編程(CGP)網絡的一組函數塊； (5)提供一個適應度函數，用於在所述對照組加速度數據組和所述患者加速度數據組之間的判別中測量所述CGP網絡的成功率； (6)應用所述函數塊配置初始CGP網絡，所述網絡接收多個包括加速度數據組中的相鄰值的輸入數據並且產生推定表示存在或不存在運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙的單個輸出值； (7)通過朝向提高適應度的順序進化變異和選擇來優化所述初始CGP網絡，直到實現所述期望的判別置信度。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述運動功能測試包括構造任務，如追蹤幾何圖形。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，所述運動功能測試包括抓握任務，如「觸及並抓握」任務。
7.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述函數塊包括具有兩個輸入(X，Y)和一個輸出(OP)的函數，所述輸出具有有限範圍的值，並且其中每個所述函數塊配置有以下的特徵: (1)如果X和Y的絕對差值大於預設值，那麼所述輸出為相對較大的數字； (2)如果X和Y的絕對差值大於第二預設值，那麼所述輸出為小於(I)中輸出的數字，但優選地大於該範圍的中間點； (3)如果X和Y的絕對差值小於第三預設值，那麼所述輸出為相對較小的數字； (4)如果X和Y的絕對差值小於第四預設值，那麼所述輸出為大於(3)中輸出的數字，但小於(2)的輸出，所 述第四預設值大於第三預設值，且小於第二預設值； (5)所述輸出為X和Y的平均值。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，第一到第四預設值和取值範圍的中心，即與鄰近值大致等間距並且理想情況下為便於處理的整數。
9.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述適應度函數包括受試者操作特性曲線下的面積。
10.用於檢測受試者的運動徐緩的裝置，包括: 第一三維位置傳感器，其適於固定在受試者的拇指上； 第二三維位置傳感器，其適於固定在受試者的相對手指上； 信號處理器，其配置為採用根據權利要求1或權利要求1的任一項從屬權利要求所述的方法生成的算法處理來自上述傳感器的位置數據的時間序列。
11.用於檢測受試者的運動徐緩、震顫或其他神經功能障礙的裝置，包括: 三維位置傳感器，其適於固定在受試者的一個手指上； 信號處理器，其配置為採用根據權利要求4或權利要求4的任一項從屬權利要求所述的方法生成的算法處理來自所述傳感器的位置數據的時間序列。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述三維位置傳感器被容納在數據手套內。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中，所述數據手套包括多個這種傳感器，從而能夠追足示手指和姆指的運動。
14.根據權利要求13所述的裝置，進一步包括適於固定在受試者手腕的三維位置傳感器。
【文檔編號】G06K9/00GK103430192SQ201280014145
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年1月18日 優先權日:2011年1月18日
【發明者】史蒂芬·史密斯 申請人:約克大學