طبقه‌بندی حالات پاتولوژیک راه رفتن با استفاده از ویژگی‌های فضای فاز و ترکیب اطلاعات مفاصل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی پزشکی - دانشگاه بین المللی امام رضا (ع)- مشهد- ایران

2 گروه مهندسی پزشکی، دانشگاه بین المللی امام رضا (ع)، مشهد، ایران

10.22034/jasp.2025.55909.1222

چکیده

الگوهای راه رفتن اطلاعات پزشکی مهمی ‌را به منظور تصمیمات پزشکی و بالینی در اختیار قرار می‌دهند که تحت تاثیر ویژگی‌های فیزیکی و سلامت ارتوپدی و اسکلتی بدن هستند. ضعف یا آسیب به برخی از اعضای بدن می‌تواند باعث الگوی راه رفتن غیرعادی شود. هدف اصلی در این پژوهش طبقه‌بندی حالت‌های مختلف پاتولوژیک با استفاده از ویژگی‌های استخراج شده مبتنی بر دینامیک فضای فاز با استفاده از داده‌های سه بعدی ثبت شده از 25 مفصل شرکت‌کنندگان است. در این مطالعه، از سیگنال‌های موجود در پایگاه داده در دسترس عموم، که شامل 6 حالت راه رفتن در حالت طبیعی و پنج حالت پاتولوژیکی است، استفاده می‌شود. در فرایند جمع‌آوری داده‌ها ده فرد سالم شرکت کردند و از آنها خواسته شد تا راه رفتن‌های هر یک از شش حالت را شبیه‌سازی کنند. هر فرد هر نوع راه رفتن را 20 بار تکرار کرده است. ابتدا فضای فاز هریک از داده‌های زیر جداگانه بازسازی می‌شود: 1- ادغام اطلاعات بردار‌های xyz مفاصل با استفاده از فاصله‌ی اقلیدسی (برآیند)، 2- ادغام اطلاعات بردار‌های xyz مفاصل با استفاده از اطلاعات زاویه، 3- نگاشت اطلاعات با ترکیب جدیدی از جهت xyz به فضای جدید با استفاده از تحلیل مولفه اصلی. سپس چندین ویژگی هندسی از آن استخراج می‌گردد. هریک از ویژگی‌های بدست آمده از مراحل 1 تا 3 به صورت جداگانه و همچنین با هم به طبقه‌بند‌های ماشین بردار پشتیبان، کی- نزدیک‌ترین همسایه، جنگل تصادفی و طبقه‌بند ترکیبی داده می‌شوند. در نتیجه بهترین طبقه‌بند با مشخصه‌ی تمام ویژگی‌ها، طبقه‌بند جنگل تصادفی با صحت 99 درصد است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Classification of Pathological Gait Modes Using Phase Space Features and Combining Joints Information

نویسندگان [English]

  • Soheila Olyazadeh 1
  • Ateke Goshvarpour 2
1 Department of Biomedical Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Razavi Khorasan, Iran.
2 Department of Biomedical Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Razavi Khorasan, Iran.
چکیده [English]

Gait patterns provide valuable medical information for making medical and clinical decisions influenced by physical characteristics, orthopedic health, and skeletal health. Weakness or injury in certain body parts can lead to an abnormal walking pattern. The primary objective of this research is to classify different pathological states using features extracted through phase space dynamics based on 3D data obtained from the joints of 25 participants. This study utilizes a freely accessible database containing six walking modes - one healthy normal and five pathological modes. Ten healthy individuals participated in the data collection process and were instructed to simulate the gaits for each of the six modes. Each participant repeated each walking type twenty times. The first step involves separately reconstructing the phase space for the following data: 1) Integration of XYZ vector information from the joints using Euclidean distance, 2) Integration of XYZ vector information from the joints using angle information, and 3) Mapping the information to a new space by combining the XYZ directions through principal component analysis. Subsequently, several geometric features are extracted from the reconstructed data. Each of the features obtained from steps 1 to 3 is inputted individually, as well as their combinations into support vector machine, k-nearest neighbor, random forest, and hybrid classifiers. The random forest classifier demonstrates the highest accuracy of 99% when considering all features.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Classification
  • Pathobiology
  • Gait
  • Phase Space
  • Combination of joint information