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Flexible Gel-Free Multi-Modal Wireless Sensors With Edge Deep Learning for Detecting and Alerting Freezing of Gait Symptom

可穿戴计算机 无线 计算机科学 传感器节点 节点(物理) 无线传感器网络 微控制器 可穿戴技术 嵌入式系统 计算机硬件 工程类 无线网络 无线传感器网络中的密钥分配 电信 计算机网络 结构工程
作者
Yuhan Hou,Jack Ji,Yi Zhu,T. J. Dell,Xilin Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:17 (5): 1010-1021 被引量:31
标识
DOI:10.1109/tbcas.2023.3281596
摘要

Freezing of gait (FoG) is a debilitating symptom of Parkinson's disease (PD). This work develops flexible wearable sensors that can detect FoG and alert patients and companions to help prevent falls. FoG is detected on the sensors using a deep learning (DL) model with multi-modal sensory inputs collected from distributed wireless sensors. Two types of wireless sensors are developed, including: 1) a C-shape central node placed around the patient's ears, which collects electroencephalogram (EEG), detects FoG using an on-device DL model, and generates auditory alerts when FoG is detected; 2) a stretchable patch-type sensor attached to the patient's legs, which collects electromyography (EMG) and movement information from accelerometers. The patch-type sensors wirelessly send collected data to the central node through low-power ultra-wideband (UWB) transceivers. All sensors are fabricated on flexible printed circuit boards. Adhesive gel-free acetylene carbon black and polydimethylsiloxane electrodes are fabricated on the flexible substrate to allow conformal wear over the long term. Custom integrated circuits (IC) are developed in 180 nm CMOS technology and used in both types of sensors for signal acquisition, digitization, and wireless communication. A novel lightweight DL model is trained using multi-modal sensory data. The inference of the DL model is performed on a low-power microcontroller in the central node. The DL model achieves a high detection sensitivity of 0.81 and a specificity of 0.88. The developed wearable sensors are ready for clinical experiments and hold great promise in improving the quality of life of patients with PD. The proposed design methodologies can be used in wearable medical devices for the monitoring and treatment of a wide range of neurodegenerative diseases.
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