通过无线加速度计应用iPhone来表征帕金森病震颤外文翻译资料

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毕业论文（设计）

英文翻译

原文标题 Implementation of an iPhone for characterizing

Parkinsonrsquo;s disease tremor through a wireless accelerometer

application

通过无线加速度计应用iPhone来表征帕金森病震颤

Robert LeMoyne, Timothy Mastroianni, Michael Cozza, Cristian Coroian, and Warren Grundfest,

Member, IEEE

摘要——帕金森氏病是一种慢性运动障碍，通常与年龄成正比。帕金森氏病的状态传统上是通过序数量表策略来分类的，例如帕金森病评定量表。然而，序数尺度战略的应用本身就需要高度专业化和有限的医疗资源来解释。另一种策略是实施一个iPhone应用程序，使设备能够作为一个功能性的无线加速度计系统。帕金森病震颤属性可以记录在有效自主的公共或私人环境中，震颤产生的加速度计信号可以无线传输，并通过电子邮件发送到远程位置进行数据发布处理。iPhone无线加速度计用于量化帕金森病震颤的初步测试和评估成功地证明了在有效自主环境中获取震颤特征的能力，同时可能减轻有限的压力。

关键字——帕金森病，iPhone应用程序，iPhone，无线加速度计，帕金森病震颤量化

1引言

随着帕金森病发病率的急剧上升，使用诸如震颤之类的状态属性访问设备，可以减轻对专业医疗资源的压力。随着无线技术和加速度计技术的进步，人们提倡评估帕金森病震颤属性的能力[1，2]。例如，多个应用程序寻址无线评估帕金森震颤和模拟帕金森震颤的加速度计已被证实[3，4]

因此，在个体受试者独有的自主环境中潜在地测量帕金森病震颤属性的能力变得越来越合理。iPhone提供评估能力震颤特性，因为iPhone配备了三维加速度计子系统。 由于iPhone融合了无线传输数据的能力，因此它与整体的三维空间相结合。加速度计是一种能够评估帕金森震颤的功能性无线加速度计。iPhone还配备了强大且可扩展的软件包〔5〕。与iPhone相关的软件功能的含义可以进一步扩展测量帕金森病震颤的能力，方便主体自己的自主环境，例如家庭环境。

从工程概念证明的角度评估了作为有效的无线加速度计设备的新型iPhone应用程序。 该应用的测试和评估涉及两个受试者：一个患有帕金森病震颤特征的受试者与一个没有帕金森病的受试者形成对比。 为了应用一致性，iPhone通过舒适的手套安装在手的背部。 该软件使iPhone能够被激活，以便以规定的采样率记录预定义的时间样本。 两个受试者的加速度计信号数据通过无线和电子邮件传送到在宾夕法尼亚州匹兹堡进行实验的资源，随后用于资源减少和后处理加利福尼亚州洛杉矶附近的数据。

iPhone应用程序成功地展示了评估帕金森震颤的能力。考虑到iPhone应用程序的灵活性和自主性，该设备有望减轻对专业医疗资源日益增长的压力，即使考虑到帕金森病发病率可能更高。随后将讨论未来的概念，例如在24小时周期内评估疾病的整体时间属性的可能性、药物治疗剂量的有效性以及深部脑刺激参数设置的有效性。

2背景

2.1帕金森病的基本特征

帕金森氏病的内在基础可能为开发确定神经退行性疾病状态的装置奠定基础。詹姆斯帕金森在1817年提供了帕金森病的初步评估。目前，美国约有100万人患有帕金森氏病[6]。这种运动障碍的普遍发病率占主导地位。对于55岁及以上的人[7]。该病的四个常见特征是：平衡受损、步态不稳、肌肉张力增加导致的僵硬以及在静止状态下发生的震颤[6]。自愿性运动可能减弱震颤，甚至导致震颤消失[8]。静息性震颤以每秒约4到5次的速度发生。

帕金森病的神经基础与与黑质多巴胺能神经元的退化有关[6]。 随着多巴胺合成的逐渐消耗，由于黑质减少，对于壳核和尾状核，帕金森病的症状表现出来[9]。

三种公认的改善帕金森氏病的策略是苍白球切开术、药物治疗和深部脑刺激[6，10，11]。通常情况下，对于其他替代方案无效的情况，保留苍白切除术。外科手术包括诱导苍白球内部病变[6,10]。 其他不太绝对的策略涉及药物治疗和深部脑刺激[6,10,11]。一种主要的药物治疗是左旋多巴的处方，以减弱与帕金森病相关的运动障碍特征[6]。另一种治疗策略涉及深部脑刺激，临床医生的目标是选择脉冲宽度，幅度，频率和电极极性的受试者最佳参数设置[11]。

药物治疗和脑深部刺激策略的不同，相当程度的治疗剂量自然是基于临床医生对受试者帕金森病状态的独特感知的定性解释。评估受试者运动障碍属性的替代策略，例如通过加速度计系统，可以为临床医生提供定义治疗策略的增强洞察力。此外，在自主家庭环境中进行的受试者评估可以提供对进行性神经退行性疾病的进一步澄清，而不是提供有限数量的临床预约。例如，三个与iPhone集成的尺寸加速度计应用程序可以实现一种功能性无线手段来评估和量化帕金森病震颤。

2.2帕金森病的自主和持续量化的加速度计系统

加速度计技术领域已经证明了无线技术应用的串联合成的快速发展[1,2]。相比之下，目前评价帕金森病震颤严重程度的方法是通过应用统一的帕金森病评分量表。本质上，临床医师的任务是根据确定的顺序参数，主观地分类运动障碍的定性属性[12]。临床评价的序贯量表方法可能只捕获疾病在整个日常周期内的整个波动的时间快照。因此，一直倡导自动加速度计系统的固有效用帕金森病震颤的量化[1,3]。

加速度计系统的初步应用展示了在自己的自主环境中对帕金森病患者的“开”和“关”状态进行分类的能力。这种加速度计系统的进步可能有助于优化独特的个性化药物治疗策略[13]。其他成功的研究还包括加速度计系统，用于描述左旋多巴诱发的运动障碍的严重程度，以及未来评估完整剂量周期跨度的潜力[14]。使用加速度计的其他应用提供了增强诊断敏锐度的能力。例如，一种具有产生相互冲突效应的治疗策略，例如与改善认知功能相对应的震颤放大，以最终量化的方式呈现[15]。通过结合强大的加速度计信号，先进的数值方法，如光谱分析，有助于确定药物治疗策略的有效性[16]。加速度计系统结合大脑刺激[17，18]。以确定深层次治疗效果的反馈

2.3用于表征帕金森病的无线加速度计系统

2008至2009年间，两个无线加速度计系统已被开发用于潜在量化帕金森病震颤[3，4]。Lemoyne开发了一个采用G-Linkreg;无线加速度计节点的系统。该应用程序是由一个皮带安装在手背，该系统成功地量化和对比了相对于静态控制模拟震颤。无线三维加速度计系统将加速度计信号存储在节点的数据记录器中，然后通过无线传输将数据传输到本地PC[3]。

具有集成无线功能的另一种三维加速度计应用被并入称为KinesiaTM的设备中，该设备还包括三个正交陀螺仪。 该装置的传感器部件安装在适合手指的环上。 传感器组件将通过电线将信号数据传送到腕部安装组件，该组件将数据无线传输到本地PC。 KinesiaTM系统成功证明了确定震颤的能力。 然而，该装置的缺点是45％的受试者组表示他们不愿意在公共场合佩戴该装置[4]。

2.4 iPhone设备应用程序作为无线加速度计用于量化帕金森病震颤的系统

一种替代性的、普遍存在的和公众接受的具有相当潜力的苹果公司开发的iPhone可以量化帕金森病在一段连续时间内的震颤。iPhone配备了强大的软件功能，甚至可以为用户定制特定的系统需要。iPhone配备了三维4955加速度计，其信号可存储并随后无线传输，并通过电子邮件进行数据后处理[5]。

iPhone 3G代表了一项重要的技术。与之前使用GLinkreg;无线加速度计节点和KinesiaTM设备的应用相比，iPhone 3G的质量为133克[5]。 相比之下，G-Linkreg;无线加速度计节点质量为46克，KinesiaTM设备的总质量为97克，传感器质量为12克[3,4,19]。虽然iPhone3G的质量比其他无线量化系统要大，但就无线覆盖范围而言，iPhone3G的覆盖范围超过了其他系统。iPhone 3G无线范围与移动电话的范围相同无线传输相应的振动加速度计信号〔5〕。但是，G-Linkreg;无线加速度计节点的范围约为70米视线，而KinesiaTM设备的无线覆盖范围限制为30米[3,4,19]。 即使在无线连续性中断的情况下，iPhone 3G的存储容量也只有8 GB [5]。 因此，iPhone 3G可以存储大量数据，然后将数据包作为电子邮件无线传送到远离主体位置的位置。

如实验中所示，测试和iPhone 3G的评估发生在匹兹堡，宾夕法尼亚州。获取数据样本后，数据通过电子邮件无线传送到加利福尼亚州洛杉矶地区进行后处理。实验涉及通过手套将iPhone 3G安装到手的背部。随后，iPhone 3G加速计子系统被激活以获取相应的数据样本。 对于最初的工程概念验证，iPhone 3G无线加速度计应用与帕金森病患者和没有帕金森病的患者能够将手保持静止位置形成对比。

3实验

iPhone无线系统的初步测试和评估用于量化帕金森氏病震颤属性的加速度计应用涉及两名受试者，一名患有帕金森氏病，另一名未患有帕金森氏病。与帕金森病患者相比，没有帕金森病的患者作为对照组。以下实验方案为每名受试者进行了10次试验：

1.将iPhone加速计应用程序安装到被试手的背穿过手套。

2.让受试者舒适地坐着，支持前臂放在桌子上方的垫子上，这样衬垫足够厚以防止接触手和桌子之间。

3.启动iPhone无线加速度计，申请10秒增量，此时受试者的手放松。

4.重复方案共10次试验。

4结果和讨论

iPhone应用程序的功能简单量化帕金森病震颤如图1所示。考虑到应用程序固有的自主性，受试者可以在公共或私人环境中方便地佩戴设备。如测试和评估中所示，加速度计信号可以在本地设置（如宾夕法尼亚州匹兹堡）中记录，并传输到远程位置（如加利福尼亚州洛杉矶地区），以进行后续的后处理。这项实验涉及两个受试者：一个患有帕金森氏病，另一个没有帕金森氏病的对照受试者。

正如预期的那样，控制对象能够保持各自的有效静态位置手。图2展示了一个样本加速度控制对象的波形，显示最小值相对于重力1g的波动。图3显示了帕金森病患者加速波形样本的对比。计算的量化参数是时间平均加速度减去每个有效试验的重力偏移。对于对照受试者，使用关于平均值的5％误差范围，时间平均加速度充分地以95％置信水平界定。 对照受试者的平均时间平均加速度为8.0微重度，标准偏差为0.6微重力。 对照受试者的变异系数为0.075。 如图4所示，进行对照受试者的样品试验的光谱分析。光谱分析暗示对照者在静态位置时的最小频率含量。

相比之下，帕金森病患者如图3所示，表现出明显和量化的震颤波动。帕金森病患者的平均时间平均加速度为19.1微重力，标准偏差为5.8微重力。帕金森病患者的平均时间平均加速度是对照组的2.4倍。帕金森病患者的变异系数为0.307，是对照组的4.1倍。图5所示的帕金森病患者试验样品的光谱分析确定了5.3赫兹、7.7赫兹和10.4赫兹范围内的主要频率。光谱分析尤其有助于评估帕金森病的整个扩展周期性特征。

随后确定统计显著性。统计分析采用两组独立t检验，方差不等，alpha;lt;0.05。帕金森病患者和非帕金森病患者组成两个独立的组。统计分析确定了代表对照组和帕金森病患者的两组患者的统计学显著差异。

图1：iPhone无线加速度计在表征帕金森病震颤中的应用

无帕金森病的受试者iPhone无线加速度计信号特性

图2：无帕金森氏病患者的加速波形通过iPhone无线加速度计应用来量化静态手部状况

患有帕金森病的受试者iPhone无线加速度计信号特性

图三：患有帕金森氏病患者的加速波形通过iPhone无线加速度计应用来量化静态手部状况

图4：使用iPhone无线加速度计应用程序的Blackman窗口对没有帕金森病震颤的受试者进行频率响应。

图5：使用iPhone无线加速度计应用程序的Blackman窗口对患有帕金森病震颤的受试者进行频率响应。

5结论

iPhone无线加速度计应用已被证明具有量化帕金森病震颤属性的能力。特别地，当与没有帕金森氏病的受试者的静态对照相比时，确定具有帕金森氏病震颤的受试者的时间平均加速度是统计学显着的。能够量化帕金森病震颤的iPhone应用的未来测试和评估应该在延长的持续时间内应用。

目前iPhone无线加速度计应用程序的另一个重要含义是灌输远程诊断的能力。 在目前的测试和评估中，实际的实验是在宾夕法尼亚州匹兹堡进行的，并通过电子邮件无线传送到加利福尼亚州

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