本發(fā)明涉及步態(tài)評(píng)估領(lǐng)域，具體涉及一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的帕金森步態(tài)評(píng)估中，醫(yī)生通過(guò)表型測(cè)試來(lái)觀察和評(píng)估患者的行為特征、運(yùn)動(dòng)能力、姿勢(shì)等相關(guān)癥狀，以此評(píng)估帕金森步態(tài)。但表型測(cè)試依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)醫(yī)生對(duì)帕金森癥狀主觀、定性的評(píng)估，有著準(zhǔn)確率低、誤差大、容易受到醫(yī)生心理因素影響等缺點(diǎn)。因此，近年來(lái)該領(lǐng)域一直在尋求引入精準(zhǔn)量化的數(shù)據(jù)采集和分析機(jī)制來(lái)輔助醫(yī)生進(jìn)行步態(tài)評(píng)估，基于各種傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。例如，基于三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的技術(shù)可以追蹤帕金森病人身體各個(gè)關(guān)節(jié)的位置信息，通過(guò)人體關(guān)節(jié)位置的變化可以量化整個(gè)走路的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)步態(tài)特征的提取?；趹T性傳感器的技術(shù)可以追蹤帕金森病人在走路過(guò)程中身體特定部位如腳、小腿、手腕、腰部等的速度、加速度、角速度信息，通過(guò)計(jì)算得到步長(zhǎng)步速等步態(tài)特征?；趬毫鞲衅鞯募夹g(shù)通過(guò)安裝特制的壓力感應(yīng)墊或要求病人穿上壓力感應(yīng)鞋墊，來(lái)測(cè)量病人走路過(guò)程中足底壓力的變化，通過(guò)分析壓力的變化間接得到步態(tài)特征。

2、雖然現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)可以得到較為精確的步態(tài)特征，但是這些系統(tǒng)都有著使用不便利的問(wèn)題：使用三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)需要患者穿上帶有特殊標(biāo)記的緊身衣，使用慣性傳感器需要患者在身體的關(guān)節(jié)處佩戴相關(guān)的設(shè)備，使用壓力感應(yīng)墊或壓力感應(yīng)鞋墊都需要病人換上專(zhuān)用的鞋。帕金森病人通常都是老人，穿戴額外的設(shè)備是一種負(fù)擔(dān)且會(huì)影響到他們的正常行走，甚至?xí)沟靡恍┎∪水a(chǎn)生恐懼情緒。另一方面，因?yàn)楦甙旱氖蹆r(jià)和復(fù)雜的安裝使用過(guò)程，這些設(shè)備都只適用于醫(yī)院專(zhuān)用檢查室中的一次性步態(tài)評(píng)估，不能幫助醫(yī)生對(duì)患者的步態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估。

3、毫米波雷達(dá)是一種利用毫米波頻段射頻信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和感知的雷達(dá)技術(shù)，具有高精度、高分辨率和受環(huán)境干擾小等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著移動(dòng)計(jì)算和毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的步態(tài)評(píng)估技術(shù)還停留在測(cè)量普通用戶(hù)的步態(tài)特征。不僅沒(méi)有考慮帕金森病人由于受到肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩、姿勢(shì)不穩(wěn)等癥狀的影響，步態(tài)特征顯著異于正常人的問(wèn)題；也沒(méi)有根據(jù)得到的步態(tài)特征進(jìn)行進(jìn)一步的步態(tài)評(píng)估分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有的毫米波雷達(dá)步態(tài)分析的弱點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法與系統(tǒng)，解決了如何通過(guò)毫米波雷達(dá)發(fā)射和接收陣列獲取準(zhǔn)確的帕金森病人異常步態(tài)特征，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法評(píng)估帕金森病人updrs-iii步態(tài)分?jǐn)?shù)的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法，包括以下步驟：

4、獲取環(huán)境中的毫米波射頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到帕金森病人身體所在位置變化的距離譜和反映帕金森病人身體度變化的多普勒譜；

5、通過(guò)濾波方法對(duì)距離譜提取每時(shí)刻峰值，計(jì)算多普勒譜的互相關(guān)系數(shù)作為步態(tài)模式匹配的指標(biāo)，將多普勒譜按每一步進(jìn)行分割；

6、根據(jù)濾波后的距離譜峰值和分割的多普勒譜進(jìn)行步態(tài)特征計(jì)算；

7、對(duì)計(jì)算得到的步態(tài)特征歸一化后輸入訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型中進(jìn)行特征評(píng)估，得到病人的updrs-iii分?jǐn)?shù)。

8、優(yōu)選的，環(huán)境中的毫米波射頻信號(hào)是通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)陣列的多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)共同發(fā)出的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，發(fā)射的信號(hào)由毫米波接收天線(xiàn)陣列接收。

9、優(yōu)選的，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到帕金森病人身體所在位置變化的距離譜和反映帕金森病人身體度變化的多普勒譜，包括：

10、對(duì)接收到的信號(hào)求平均得到環(huán)境中物體產(chǎn)生的靜態(tài)分量，從接收信號(hào)中移除靜態(tài)分量得到僅包含帕金森病人身體動(dòng)作的信號(hào)；

11、對(duì)移除靜態(tài)分量的信號(hào)，利用接收天線(xiàn)陣列中多個(gè)天線(xiàn)接收到的信號(hào)之間的相位差補(bǔ)充單個(gè)天線(xiàn)接收到的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)增強(qiáng)；

12、對(duì)增強(qiáng)后的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到反映帕金森病人身體所在位置變化的距離譜和反映帕金森病人身體速度變化的多普勒譜。

13、優(yōu)選的，通過(guò)濾波方法對(duì)距離譜提取每時(shí)刻峰值，包括：

14、對(duì)距離譜使用平均濾波，將每一時(shí)刻的距離譜替換為指定長(zhǎng)度時(shí)間窗內(nèi)距離譜能量的平均值；

15、提取每個(gè)時(shí)刻距離譜能量最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，得到患者的位置變化曲線(xiàn)，使用漢普爾過(guò)濾器和平均濾波器對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行平滑并排除離群點(diǎn)，最終獲得濾波后的代表患者所在位置信息的距離譜峰值。

16、優(yōu)選的，計(jì)算多普勒譜的互相關(guān)系數(shù)作為步態(tài)模式匹配的指標(biāo)，將多普勒譜按每一步進(jìn)行分割，包括：

17、將多普勒譜視作二維圖像，計(jì)算圖像的互相關(guān)系數(shù)，作為多普勒譜的互相關(guān)系數(shù)；

18、根據(jù)參考的步態(tài)周期確定一個(gè)時(shí)間范圍，在該時(shí)間范圍內(nèi)，查找與當(dāng)前步的多普勒譜互相關(guān)系數(shù)最大的下一步的多普勒譜，確定當(dāng)前步的步態(tài)周期；

19、根據(jù)確定的步態(tài)周期，將多普勒譜按每一步進(jìn)行分割。

20、優(yōu)選的，根據(jù)濾波后的距離譜峰值和分割的多普勒譜進(jìn)行步態(tài)特征計(jì)算，包括：

21、根據(jù)分割的多普勒譜得到每個(gè)步態(tài)周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，根據(jù)濾波后的距離譜峰值求得患者在每個(gè)步態(tài)周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻到雷達(dá)的距離，得到每個(gè)步態(tài)周期的步幅；

22、將每個(gè)步態(tài)周期的開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻相減，得到步時(shí)信息，根據(jù)步幅和步時(shí)求得每個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的平均步速。

23、優(yōu)選的，機(jī)器學(xué)習(xí)模型采用xgboost模型。

24、第二方面，提供一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，包括：

25、發(fā)射天線(xiàn)陣列，用于發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)；

26、接收天線(xiàn)陣列，用于接收環(huán)境中的毫米波射頻信號(hào)；

27、計(jì)算裝置，用于根據(jù)第一方面所述的基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)帕金森患者的步態(tài)評(píng)估。

28、第三方面，提供一種計(jì)算設(shè)備，包括：一個(gè)或多個(gè)處理器；存儲(chǔ)器；以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中所述一個(gè)或多個(gè)程序被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，并且被配置為由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如第一方面所述的基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法的步驟。

29、第四方面，本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上所述的基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法的步驟。

30、有益效果：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有毫米波雷達(dá)步態(tài)分析技術(shù)的缺陷，提出通過(guò)毫米波雷達(dá)陣列對(duì)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，然后根據(jù)微多普勒譜相似性對(duì)特定的帕金森步態(tài)特征進(jìn)行提取，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法評(píng)估帕金森病人的updrs-iii步態(tài)分?jǐn)?shù)。本發(fā)明可以通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件算法，在通用的毫米波雷達(dá)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)帕金森步態(tài)特征測(cè)量和updrs-iii步態(tài)分?jǐn)?shù)評(píng)估。本發(fā)明可以以低成本的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)帕金森步態(tài)特征的非侵入式測(cè)量和評(píng)估，為醫(yī)生提供了量化數(shù)據(jù)和診斷參考的同時(shí)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程對(duì)帕金森病人也非常方便。

技術(shù)特征：

1.一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，環(huán)境中的毫米波射頻信號(hào)是通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)陣列的多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)共同發(fā)出的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，發(fā)射的信號(hào)由毫米波接收天線(xiàn)陣列接收。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到帕金森病人身體所在位置變化的距離譜和反映帕金森病人身體度變化的多普勒譜，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)濾波方法對(duì)距離譜提取每時(shí)刻峰值，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，計(jì)算多普勒譜的互相關(guān)系數(shù)作為步態(tài)模式匹配的指標(biāo)，將多普勒譜按每一步進(jìn)行分割，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)濾波后的距離譜峰值和分割的多普勒譜進(jìn)行步態(tài)特征計(jì)算，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，機(jī)器學(xué)習(xí)模型采用xgboost模型。

8.一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.一種計(jì)算設(shè)備，其特征在于，包括：一個(gè)或多個(gè)處理器；存儲(chǔ)器；以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中所述一個(gè)或多個(gè)程序被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，并且被配置為由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法的步驟。

10.一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于毫米波雷達(dá)信號(hào)的帕金森步態(tài)評(píng)估方法與系統(tǒng)。所述方法包括：獲取環(huán)境中的毫米波射頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到帕金森病人身體所在位置變化的距離譜和反映帕金森病人身體度變化的多普勒譜；通過(guò)濾波方法對(duì)距離譜提取每時(shí)刻峰值，計(jì)算多普勒譜的互相關(guān)系數(shù)作為步態(tài)模式匹配的指標(biāo)，將多普勒譜按每一步進(jìn)行分割；根據(jù)濾波后的距離譜峰值和分割的多普勒譜進(jìn)行步態(tài)特征計(jì)算；對(duì)計(jì)算得到的步態(tài)特征歸一化后輸入訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型中進(jìn)行特征評(píng)估，得到病人的UPDRS?III分?jǐn)?shù)。本發(fā)明以低成本的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)帕金森步態(tài)特征的非侵入式測(cè)量和評(píng)估，操作方便且評(píng)估效果準(zhǔn)確，為醫(yī)生提供了量化數(shù)據(jù)和診斷參考。

技術(shù)研發(fā)人員：戴海鵬,陳貴海,王煒,張文昊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19