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A Novel Optimization-Based Convolution Neural Network to Estimate the Contribution of Sensory Inputs to Postural Stability During Quiet Standing

计算机科学 超参数 卷积神经网络 安静的 人工智能 压力中心(流体力学) 感觉系统 模式识别(心理学) 理论(学习稳定性) 机器学习 心理学 物理 量子力学 认知心理学 工程类 空气动力学 航空航天工程
作者
Ahnryul Choi,Euyhyun Park,Tae Hyong Kim,Gi Jung Im,Joung Hwan Mun
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:26 (9): 4414-4425 被引量:6
标识
DOI:10.1109/jbhi.2022.3186436
摘要

Adequate postural control is maintained by integrating signals from the visual, somatosensory, and vestibular systems. The purpose of this study is to propose a novel convolutional neural network (CNN)-based protocol that can evaluate the contributions of each sensory input for postural stability (calculated a sensory analysis index) using center of pressure (COP) signals in a quiet standing posture. Raw COP signals in the anterior/posterior and medial/lateral directions were extracted from 330 patients in a quiet standing with their eyes open for 20 seconds. The COP signals augmented using jittering and pooling techniques were transformed into the frequency domain. The sensory analysis indices were used as the output information from the deep learning models. A ResNet-50 CNN was combined with the k-nearest neighbor, random forest, and support vector machine classifiers for the training model. Additionally, a novel optimization process was proposed to include an encoding design variable that can group outputs into sub-classes along with hyperparameters. The results of optimization considering only hyperparameters showed low performance, with an accuracy of 55% or less and F-1 scores of 54% or less in all models. However, when optimization was performed using the encoding design variable, the performance was markedly increased in the CNN-classifier combined models (r = 0.975). These results suggest it is possible to evaluate the contribution of sensory inputs for postural stability using COP signals during a quiet standing. This study will facilitate the expanded dissemination of a system that can quantitatively evaluate the balance ability and rehabilitation progress of patients with dizziness.
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