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==Arm Swinging Measurement and Monitor System for Patients Diagnosed with Parkinson's Disease==
https://ceur-ws.org/Vol-2178/SSN2018_paper_16.pdf
Arm swinging measurement and monitor system for
patients diagnosed with Parkinson’s disease
Domiciano Rincón Andrés Navarro
Grupo de investigación I2T Grupo de investigación I2T
Cali, Colombia Cali, Colombia
domiciano.rincon@correounivalle.edu.co anavarro@icesi.edu.co
y generar una pobre calidad de vida [Ellis2011]. Es
ası́ que cada dı́a se ha incrementado el interés por las
Abstract alteraciones de la marcha [Fernandez2015] y se ha pos-
tulado que alteraciones como la asimetrı́a en la marcha
Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenera- o la disminución de la amplitud del movimiento en ex-
tive disease that mainly affects people older tremidades superiores son signos motores que pueden
than 60 years and is characterized by a neu- servir como predictores de la enfermedad.
ronal loss in several brain areas, but particu- Actualmente, la observación de estos signos por
larly in the substantia nigra, which can lead parte del especialista clı́nico es usada como crite-
initially to motor alterations like gait asym- rio tanto para el diagnóstico inicial, como para el
metry and delayed to cognitive disorders. To seguimiento de la enfermedad [Gelb1999]. Lo ante-
detect the alterations, two bracelets with in- rior supone que la confiabilidad del criterio de obser-
tegrated electronic devices capable of sensing vación del experto clı́nico es subjetivo y por tanto de-
upper limbs motion in Parkinson’s patients pendiente de la experiencia de quien observa. Es aquı́
has been developed to analyze and calculate donde surge la necesidad de desarrollar el sistema de
gait asymmetry indicator that allows the de- medición y monitoreo de balanceo de brazos que per-
tection of PD in early stages. The device mita medir el movimiento en extremidades superiores.
will measure movement variables in the pa- El objetivo del sistema es tener una medida objetiva
tient’s arms through accelerometers and the como criterio complementario al del especialista clı́nico
information produced by the bracelets is sent que posibilite encontrar anomalı́as motoras, describir
to a smartphone via Bluetooth 4.0 protocol el progreso de la enfermedad e incluso determinar el
and then stored in the cloud. The stored data nivel de mejora en la respuesta a medicamentos para
analysis is useful to medical specialists in or- el tratamiento de la EP como la levodopa, esto puede
der to detect motor alterations and make de- apoyar al médico para determinar la dosis adecuada
cisions. del medicamento.
El sistema de medición y monitoreo está compuesto
1 Introducción por dos brazaletes. Cada uno cuenta con dos disposi-
La Enfermedad de Parkinson (EP), es una enfermedad tivos electrónicos separados a 10 cm de distancia medi-
neurodegenerativa que afecta, desde estadı́os tempra- ante un centro de acrı́lico (Ver figura 1). Cada dispos-
nos, el sistema motor y esto condiciona la cotidian- itivo electrónico cuenta con un acelerómetro que per-
idad del paciente. La EP se caracteriza por bradicine- mite sensar el movimiento de las extremidades superi-
sia, rigidez y temblor en reposo que puede llevar a al- ores de pacientes con EP y con una interfaz bluetooth
teraciones marcadas en la postura y la marcha. Estas mediante la cual se envı́a la información que toman
alteraciones pueden limitar la actividad del paciente los acelerómetros a un teléfono inteligente. Se imple-
mentó un sistema de comunicación que permite que la
Copyright c by the paper’s authors. Copying permitted for información recolectada llegue a la nube que posteri-
private and academic purposes.
ormente será analizada.
In: Proceedings of the IV School of Systems and Networks
(SSN 2018), Valdivia, Chile, October 29-31, 2018. Published La principal novedad del sistema descrito es que
at http://ceur-ws.org posibilita la toma de información en un contexto am-
bulatorio y tiene el potencial de tomarla en el contexto
cotidiano gracias a que el dispositivo es de tecnologı́a
vestible e inalámbrica, logrando llevar a cabo el análisis
de marcha en otros espacios diferentes a los laborato-
rios de marcha, lo que supone practicidad y rapidez a
la hora de evaluar la marcha del paciente.
En el presente documento se muestra el desempeño
actual del sistema y los resultados de un experimento
preliminar con el que se busca comparar el criterio Figure 1: Prototipo implementado
clı́nico con la información ofrecida por el sistema, me-
diante la evaluación de la asimetrı́a (signo motor de
3.2 Creación de la aplicación móvil
interés) de las extremidades superiores.
Se desarrolló una aplicación móvil Android en la
que se implementó el protocolo Bluetooth 4.0, es-
2 Estado del arte pecı́ficamente perfiles GATT, que permiten conectarse
El estudio de Liu, K et al. [Liu2009] hizo uso de dos a los cuatro Simblee BLE al tiempo para recibir la in-
acelerómetros en piernas a una distancia conocida y formación que producen. La aplicación permite ver
las señales obtenidas se compararon con un sistema las series de tiempo de los ejes de los acelerómetros en
de medida de referencia compuesto por una cámara tiempo real.
y reflectores ubicados en el cuerpo (NAC Hi-Dcam
II). Las señales de referencia y la calculada, tienen 3.3 Configurar y validar enlace Bluetooth
una forma y amplitud semejante y se concluye que
es adecuada la medición usando el Algoritmo de doble Existe un lı́mite de velocidad de transmisión a partir
acelerómetro. El uso de dos acelerómetros lo justifican de la cual se pierden datos debido al estrés de la red.
para encontrar la aceleración angular sin errores de in- En la sección de resultados se mostrará el lı́mite en-
tegración, además elimina el efecto gravitacional y de contrado a través del ensayo de varias velocidades de
movimiento traslacional que sensan los acelerómetros. transmisión, usando el tamaño mnimo para cada dato
Finalmente el estudio de Bamberg, S et al. [Bam- de aceleracin.
berg2008] desarrollaron un sistema en el que usan sen-
sores inalámbricos puestos en zapatos para lograr un
análisis de marcha en tiempo real usando un sistema 3.4 Crear y validar servicio de almace-
de comunicación con enlaces RF. namiento
Se desarrolló un webservice que permite recibir las
muestras tomadas y almacenarlas en la nube. Se validó
3 Metodologı́a
la correcta recepción de los datos. stos son transmiti-
3.1 Construcción de los dispositivos dos a partir del método POST de HTTP y el formato
JSON.
Se desarrollaron dos brazaletes, cada uno está
equipado con dos dispositivos electrónicos. Cada
dispositivo electrónico está compuesto por un 3.5 Analizar y calcular asimetrı́a
acelerómetro de tres ejes con una resolución de ±3g
Se analizan los datos de un experimento preliminar
que está conectado a una tarjeta programable Simblee
en el que se evalúa la herramienta. Para calcu-
BLE la cual cuenta con un procesador ARM Cortex
lar la asimetrı́a se requiere la aceleración angular de
M0, un terminal FTDI y una interfaz bluetooth 4.0.
los dos brazos por lo cual, se necesita un par de
El sistema es alimentado por una baterı́a de 400 mAh
acelerómetros en cada brazo [Huang2012] y registrar el
conectada a la tarjeta Simblee BLE y puede ser recar-
movimiento del paciente mientras camina un trayecto
gada mediante el terminal FTDI de la tarjeta. Para
lineal. Luego, con estas señales se extrae el valor RMS
sujetar cada dispositivo electrónico a los brazos del pa-
(Root mean square) de las señales de aceleraciones
ciente se usaron correas de velcro.
angulares de cada brazo y se computa la ecuación 1
La aceleración de los tres ejes de cada acelerómetro [Huang2012]. Donde RM Smin corresponde al mı́nimo
se digitaliza mediante el ADC de 10 bits de la tarjeta RMS y RM Smax al máximo.
programable y ésta envı́a la información vı́a bluetooth
a una aplicación móvil. Una imagen del prototipo 45◦ − arctan(RM Smin /RM Smax )
puede verse en la figura 1. ASA = ∗ 100 (1)
45◦
3.6 Red usada para la distribución de los que la frecuencia mı́nima de muestreo para el análisis
datos de la marcha es de 10 datos por segundo [Salarian2004]
La figura 2 muestra una representación de la red que
se implementó para la captura de los datos. 4.2 Caracterización del instrumento
El instrumento se caracterizó mediante cinco personas
a las cuales se les dio la instrucción de hacer un bal-
anceo de brazos a tres velocidades (bajo, medio y alto)
mientras está parado y mientras está caminando. Los
resultados se encuentran en la tabla 2.
Table 2: RMS en función de la velocidad de balanceo
RMS
Promedio
Bajo Medio Alto
Parado 1.24 2.51 5.67
Figure 2: Red implementada
Caminando 1.61 3.26 5.8
n 15 15 15
Desviación Estándar
4 Red usada para la distribución de los Bajo Medio Alto
datos Parado 0.26 0.48 0.51
Caminando 0.22 0.58 0.58
4.1 Desempeño de la red bluetooth
Significancia
En la implementación se minimizó el tamaño de los Bajo-Medio Medio-Alto Bajo-Alto
datos producidos por cada brazalete lo cual permite Parado <0.001 <0.001 <0.001
lograr una mayor tasa de datos por segundo. Cada Caminando <0.001 <0.001 <0.001
dato se pesa de 5 bytes y se compone de la estampa
de tiempo, seguida de las mediciones de aceleración
en unidades digitales (de 0 a 1023) de los ejes X, Y y Donde se ve que efectivamente aumenta el valor
Z. La tabla 1 muestra el resultado de la búsqueda de RMS en la medida que la velocidad del balanceo au-
una tasa de envı́o de datos óptima para evitar pérdida mentó, con diferencias estadı́sticamente significativas
de información, ası́ que muestra cuantos datos por se- entre las tres velocidades.
gundo se pierden para distintas tasas de envı́o.
4.3 Asimetrı́a
Table 1: Número de datos perdidos en función a la
tasa de envı́o Finalmente se presentan resultados de las personas
del experimento y preliminarmente se incluyeron cu-
Tasa de envı́o de Tasa de datos atro pacientes diagnosticados con párkinson y cinco
datos (datos/s) perdidos (datos/s) controles. Desde el criterio clı́nico estas cuatro per-
20 0 sonas son asimétricas. El paciente P9 fue evaluado sin
30 0 tomarse su medicamento (P9-OFF) y luego de tomarse
40 0 el medicamento (P9-ON). El paciente (P8) necesita de
50 0 un bastón para poder movilizase, pero para la prueba
60 2 se le pidió que caminara sin él.
70 4
El experimento consistió en recorrer 10 metros en
80 12
un trayecto lineal, con el par de brazaletes puestos en
90 18
sus antebrazos.
100 24
Con resultados de la tabla 3 podemos observar que
hay relación con el ASA calculado y el criterio clı́nico
Como se ve la tasa de transmisión de datos tiene un donde claramente los pacientes de párkinson presentan
lı́mite de 50 datos por segundo máximo antes de que una asimetrı́a mucho mayor que las personas que no
se comiencen a perder datos. Es conveniente sabiendo sufren de EP.
ment best predict quality of life in Parkinsons
Table 3: ı́ndice de asimetrı́a
disease? Parkinsonism Relat Disord. 2011
Persona ASA(%) Nov;17(9):6937.
P1 1.3 [Fernandez2015] Fernandez HH. 2015 Update on
P2 4.9 Parkinson disease. Cleve Clin J Med. 2015
P3 6.4 Sep;82(9):5638.
P4 9.1
P5 3.1 [Gelb1999] Gelb, D. J., Oliver, E., & Gilman, S.
P6 18.6 (1999). Diagnostic criteria for Parkinson dis-
P7 19.3 ease. Archives of neurology, 56(1), 33-39.
P8 71.6
[Liu2009] Liu, K., Liu, T., Shibata, K., Inoue, Y., &
P9-OFF 26.2
Zheng, R. (2009). Novel approach to ambu-
P9-ON 18.2
latory assessment of human segmental orien-
tation on a wearable sensor system. Journal
4.4 Conclusiones y trabajo futuro of biomechanics, 42(16), 2747-2752.
Se recomienda el uso del algoritmo de doble [Huang2012] Huang, X., Mahoney, J. M., Lewis, M.
acelerómetro puesto que posibilita la medición de la M., Du, G., Piazza, S. J., & Cusumano, J.
aceleración angular cuya amplitud corresponde a la P. (2012). Both coordination and symmetry
velocidad del balanceo de los brazos. Para una baja of arm swing are reduced in Parkinson’s dis-
velocidad se puede observar cómo el balanceo de los ease. Gait & posture, 35(3), 373-377.
brazos en la persona también es bajo, lo cual se tra-
duce en un RMS bajo, frente a una caminata veloz, [Bamberg2008] Bamberg, S. J. M., Benbasat, A. Y.,
donde el valor RMS es mayor que el de las caminatas Scarborough, D. M., Krebs, D. E., & Par-
de menor velocidad. Durante la caracterización se ob- adiso, J. A. (2008). Gait analysis using a
servó que las pruebas de menos de 10 metros no son shoe-integrated wireless sensor system. IEEE
concordantes con el criterio clı́nico dada la dependen- transactions on information technology in
cia de la fórmula de ASA con la duración de la serie biomedicine, 12(4), 413-423.
de tiempo.
[Salarian2004] Salarian, A., Russmann, H., Vinger-
También dado que el tiempo de captura de las
hoets, F. J., Dehollain, C., Blanc, Y.,
señales duran máximo quince segundos y se requiere
Burkhard, P. R., & Aminian, K. (2004). Gait
una distancia de diez metros para obtener resultados
assessment in Parkinson’s disease: toward an
concordantes se logró reducir la distancia y el tiempo
ambulatory system for long-term monitoring.
de recorrido de los pacientes, con respecto a los an-
IEEE transactions on biomedical engineer-
tecedentes de referencia [Xuan2008]. El sistema de
ing, 51(8), 1434-1443.
medición desarrollado permite capturar datos de acel-
eración de los brazos, y posteriormente generar valores
de asimetrı́a que correspondan con el criterio clı́nico,
lo cual podrı́a ser de gran utilidad en el diagnóstico y
seguimiento de la enfermedad de Parkinson en estadı́os
tempranos. Como trabajos futuros, se plantea evaluar
la asimetrı́a del balanceo de los brazos en una muestra
de mayor tamaño para determinar puntos de corte y
evaluar la efectividad del sistema.
El prinicipal reto a futuro es analizar las señales
ofrecidas no sólo para encontrar la asimetrı́a, sino
también caracterizar el temblor en los pacinentes de
párkinson con el fin de que la herramienta ofrezca más
información al experto clı́nico.
References
[Ellis2011] Ellis T, Cavanaugh JT, Earhart GM, Ford
MP, Foreman KB, Dibble LE. Which mea-
sures of physical function and motor impair-