Mit der Entwicklung von Deep-Learning-Techniken sind Deep-acNN-basierte Methoden
zum Standard für Bildverarbeitungsaufgaben geworden, wie z. B. die Verfolgung menschlicher
Bewegungen und Posenschätzung, die Erkennung menschlicher Aktivitäten und
die Erkennung von Gesichtern. Deep-Learning-Techniken haben den Entwurf, die Implementierung
und den Einsatz komplexer und vielfältiger Anwendungen verbessert, die nun
in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich der Biomedizintechnik, eingesetzt werden.
Die Anwendung von Computer-Vision-Techniken auf die medizinische Bild- und Videoanalyse
hat zu bemerkenswerten Ergebnissen bei der Erkennung von Ereignissen geführt. Die
eingebaute Fähigkeit von convolutional neural network (CNN), Merkmale aus komplexen
medizinischen Bildern zu extrahieren, hat in Verbindung mit der Fähigkeit von long short
term memory network (LSTM), die zeitlichen Informationen zwischen Ereignissen zu erhalten,
viele neue Horizonte für die medizinische Forschung geschaffen. Der Gang ist einer der
kritischen physiologischen Bereiche, der viele Störungen im Zusammenhang mit Alterung
und Neurodegeneration widerspiegeln kann. Eine umfassende und genaue Ganganalyse
kann Einblicke in die physiologischen Bedingungen des Menschen geben. Bestehende
Ganganalyseverfahren erfordern eine spezielle Umgebung, komplexe medizinische Geräte
und geschultes Personal für die Erfassung der Gangdaten. Im Falle von tragbaren Systemen
kann ein solches System die kognitiven Fähigkeiten beeinträchtigen und für die Patienten
unangenehm sein.
Außerdem wurde berichtet, dass die Patienten in der Regel versuchen, während des
Labortests bessere Leistungen zu erbringen, was möglicherweise nicht ihrem tatsächlichen
Gang entspricht. Trotz technologischer Fortschritte stoßen wir bei der Messung des menschlichen
Gehens in klinischen und Laborumgebungen nach wie vor an Grenzen. Der Einsatz
aktueller Ganganalyseverfahren ist nach wie vor teuer und zeitaufwändig und erschwert den
Zugang zu Spezialgeräten und Fachwissen.
Daher ist es zwingend erforderlich, über Methoden zu verfügen, die langfristige Daten
über den Gesundheitszustand des Patienten liefern, ohne doppelte kognitive Aufgaben oder
Unannehmlichkeiten bei der Verwendung tragbarer Sensoren. In dieser Arbeit wird daher eine einfache, leicht zu implementierende und kostengünstige Methode zur Erfassung von
Gangdaten vorgeschlagen. Diese Methode basiert auf der Aufnahme von Gehvideos mit
einer Smartphone-Kamera in einer häuslichen Umgebung unter freien Bedingungen. Deep
neural network (NN) verarbeitet dann diese Videos, um die Gangereignisse zu extrahieren.
Die erkannten Ereignisse werden dann weiter verwendet, um verschiedene räumlich-zeitliche
Parameter des Gangs zu quantifizieren, die für jedes Ganganalysesystem wichtig sind.
In dieser Arbeit wurden Gangvideos verwendet, die mit einer Smartphone-Kamera mit
geringer Auflösung außerhalb der Laborumgebung aufgenommen wurden. Viele Deep-
Learning-basierte NNs wurden implementiert, um die grundlegenden Gangereignisse wie
die Fußposition in Bezug auf den Boden aus diesen Videos zu erkennen. In der ersten
Studie wurde die Architektur von AlexNet verwendet, um das Modell anhand von Gehvideos
und öffentlich verfügbaren Datensätzen von Grund auf zu trainieren. Mit diesem Modell
wurde eine Gesamtgenauigkeit von 74% erreicht. Im nächsten Schritt wurde jedoch die
LSTM-Schicht in dieselbe Architektur integriert. Die eingebaute Fähigkeit von LSTM in
Bezug auf die zeitliche Information führte zu einer verbesserten Vorhersage der Etiketten
für die Fußposition, und es wurde eine Genauigkeit von 91% erreicht. Allerdings gibt es
Schwierigkeiten bei der Vorhersage der richtigen Bezeichnungen in der letzten Phase des
Schwungs und der Standphase jedes Fußes.
Im nächsten Schritt wird das Transfer-Lernen eingesetzt, um die Vorteile von bereits
trainierten tiefen NNs zu nutzen, indem vortrainierte Gewichte verwendet werden. Zwei
bekannte Modelle, inceptionresnetv2 (IRNV-2) und densenet201 (DN-201), wurden mit
ihren gelernten Gewichten für das erneute Training des NN auf neuen Daten verwendet. Das
auf Transfer-Lernen basierende vortrainierte NN verbesserte die Vorhersage von Kennzeichnungen
für verschiedene Fußpositionen. Es reduzierte insbesondere die Schwankungen
in den Vorhersagen in der letzten Phase des Gangschwungs und der Standphase. Bei der
Vorhersage der Klassenbezeichnungen der Testdaten wurde eine Genauigkeit von 94% erreicht.
Da die Abweichung bei der Vorhersage des wahren Labels hauptsächlich ein Bild
betrug, konnte sie bei einer Bildrate von 30 Bildern pro Sekunde ignoriert werden.
Die vorhergesagten Markierungen wurden verwendet, um verschiedene räumlich-zeitliche
Parameter des Gangs zu extrahieren, die für jedes Ganganalysesystem entscheidend sind.
Insgesamt wurden 12 Gangparameter quantifiziert und mit der durch Beobachtungsmethoden
gewonnenen Grundwahrheit verglichen. Die NN-basierten räumlich-zeitlichen Parameter
zeigten eine hohe Korrelation mit der Grundwahrheit, und in einigen Fällen wurde eine sehr
hohe Korrelation erzielt. Die Ergebnisse belegen die Nützlichkeit der vorgeschlagenen Methode.
DerWert des Parameters über die Zeit ergab eine Zeitreihe, eine langfristige Darstellung des Ganges. Diese Zeitreihe konnte mit verschiedenen mathematischen Methoden weiter
analysiert werden.
Als dritter Beitrag in dieser Dissertation wurden Verbesserungen an den bestehenden
mathematischen Methoden der Zeitreihenanalyse von zeitlichen Gangdaten vorgeschlagen.
Zu diesem Zweck werden zwei Verfeinerungen bestehender entropiebasierter Methoden
zur Analyse von Schrittintervall-Zeitreihen vorgeschlagen. Diese Verfeinerungen wurden
an Schrittintervall-Zeitseriendaten von normalen und neurodegenerativen Erkrankungen
validiert, die aus der öffentlich zugänglichen Datenbank PhysioNet heruntergeladen wurden.
Die Ergebnisse zeigten, dass die von uns vorgeschlagene Methode eine klare Trennung
zwischen gesunden und kranken Gruppen ermöglicht.
In Zukunft könnten fortschrittliche medizinische Unterstützungssysteme, die künstliche
Intelligenz nutzen und von den hier vorgestellten Methoden abgeleitet sind, Ärzte bei der
Diagnose und langfristigen Überwachung des Gangs von Patienten unterstützen und so die
klinische Arbeitsbelastung verringern und die Patientensicherheit verbessern
