Addressing Multiple Challenges in Early Gait Freezing Prediction for Parkinson's Disease: A Practical Deep Learning Approach

计算机科学 步态 人工智能 深度学习 物理医学与康复 疾病 帕金森病 机器学习 数据科学 医学 病理
作者
Wen-An Wang,Jingfeng Lin,Xinning Le,Yaru Li,Tao Liu,Lunxin Pan,Min Li,Dezhong Yao,Peng Ren
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:29 (9): 6251-6262 被引量:7
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3522664
摘要

OBJECTIVE: Freezing of Gait (FOG) significantly impacts daily activities of Parkinson's disease (PD) patients. Despite the potential of wearable sensors in predicting FOG, challenges persist, including the brief prediction interval before FOG onset, limited generalization across patients, and the inconvenience of multiple sensors. Addressing one issue often aggravates others, making it difficult to achieve suitable concurrent solutions to all these challenges. METHODS: We introduce the PhysioGait Predictive Network (PhysioGPN), a deep learning framework designed to predict FOG events in PD patients at least 2 seconds prior to onset. The model architecture incorporates four key strategies: 1) Detection of progressive motion changes using large convolutional kernels; 2) Unraveling the complexity of motion coordination and gait dynamics using multi-dimensional and multi-scale convolution; 3) Capture gait self-similarity and asymmetry with twin-tower structure; 4) Promoting cross-domain information exchange with multi-domain attention. Furthermore, we propose a framework based on knowledge distillation (KD), reducing the model's dependence on multiple sensors while maintaining prediction accuracy. RESULTS: The model achieves an 85.8% Area Under the Curve (AUC) in FOG prediction. When reducing the number of sensors, KD mitigates the decline in performance and increases the AUC by 5.1%, compared to scenarios without KD. CONCLUSION: Our research proposes a practical solution to the challenges of FOG prediction, demonstrating the effectiveness of the KD approach for lightweight wearable sensors in rehabilitation engineering. SIGNIFICANCE: Our findings offer valuable insights for addressing multiple challenges in the practical application of wearable devices.
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