ES2684568A1 - Methodology to help diagnose Parkinson's disease, using three-dimensional spirals - Google Patents

Methodology to help diagnose Parkinson's disease, using three-dimensional spirals Download PDF

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Carlos Manuel TRAVIESO GONZÁLEZ
Ciro Ángel GARCÍA MERINO
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Universidad de las Palmas de Gran Canaria
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    • GPHYSICS
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    • G06K9/00Methods or arrangements for reading or recognising printed or written characters or for recognising patterns, e.g. fingerprints

Abstract

En la presente invención se plantea una metodología para analizar los temblores funcionales de las personas, utilizando un sistema de clasificación para establecer en qué grado, dichos temblores pueden constituir o no, a la enfermedad del Parkinson. In the present invention a method is proposed to analyze the functional tremors of people, using a classification system to establish to what extent these tremors may be or not to Parkinson's disease. La metodología se basa en captar datos de forma aérea basado en el dibujo de la espiral de Arquímedes. The methodology is based on aerially capture data based on the drawing of the spiral of Archimedes. De este modo, se podrá establecer una comparativa entre gráficos de tres dimensiones de pacientes sanos y pacientes con temblores, que pueden ser o no debidos a síntomas de Parkinsonismo. Thus, you may establish a comparison between three-dimensional graphics healthy patients and patients with tremors, which may or may not due to symptoms of Parkinsonism.

Description

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descripción description

Metodología para la ayuda al diagnóstico de la enfermedad del Parkinson, mediante espirales tridimensionales Methodology to help diagnose Parkinson's disease, using three-dimensional spirals

Objeto de la invención OBJECT OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un método de realización de análisis de los temblores funcionales que puedan padecer las personas. The present invention relates to a method of performing analysis of the functional tremors people may suffer. Para ello, se aplica un método basado en la toma de datos mediante sensores de detección de actividad volumétrica, captando por tanto la información en tres dimensiones. For this, a decision based on data by detection sensors volumetric activity, thus capturing the information in three dimensions method is applied. Con esta adquisición de datos tridimensional al realizar la espiral de Arquímedes, se obtendrán los temblores de forma natural, sin que ningún elemento influya en los mismos, como por ejemplo puntos de apoyo, cuando se hace sobre el papel o una tableta. With this acquisition of three-dimensional data when carrying out Archimedean spiral, tremors naturally be obtained without any influence element thereof, such as support points when done on paper or a tablet.

A partir de estos datos obtenidos, se podrá determinar si dicho temblor pertenece o no a la enfermedad del Parkinson, gracias al uso de un sistema de clasificación basado en distancias euclídeas que calculará el grado del error frente una espiral de Arquimedes ideal. From these data, you can determine whether or not this earthquake belongs to Parkinson's disease through the use of a classification system based on Euclidean distances calculated the degree of error against a spiral of Arquimedes ideal.

Antecedentes de la invención BACKGROUND OF THE INVENTION

Siendo la enfermedad de Parkinson la segunda enfermedad neurodegenerativa que más afecta a las personas, después del Alzheimer, en lo que a técnicas para la detección de la misma se refiere, se encuentra con un número muy escaso de trabajos realizados en este campo. Parkinson's disease being the second neurodegenerative disease that affects people, after Alzheimer's, as far as techniques for detecting it refers, is a very small number of works in this field.

En estos momentos existe un proyecto en pruebas con cierta similitud al propuesto. At present there is a project in tests with some similarity to the one proposed. Se trata de un sistema que utiliza, al igual que en este trabajo, la espiral de Arquímedes, en dos dimensiones, utilizando la adquisición de datos a través de un dispositivo electrónico. This is a system that uses, as in this work, the Archimedean spiral in two dimensions, using the data acquisition through an electronic device.

Por otro lado, un desarrollo realizado por profesionales de varios hospitales, trata de medir la habilidad motriz de las personas, a partir del análisis temporal del tecleo. On the other hand, a development by professionals from various hospitals, tries to measure the driving ability of people, from the temporal analysis click. Consiste en una solución que mide el tiempo de pulsación y liberación de las teclas durante el uso normal de un ordenador y lo convierte en un índice de motor. Is a solution which measures the time of pressing and releasing keys during normal use of a computer and makes an index motor. Para ello, utiliza la detección automática de patrones en la serie temporal empleando algoritmos de regresión de conjunto. It uses automatic detection of patterns in the time series using regression algorithms set.

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https://www.neuroqwerty.com/es/ https://www.neuroqwerty.com/es/

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En cuanto al análisis de la calidad de Voz, existen trabajos que permiten estudiar los temblores, producidos por enfermedades neurodegenerativas. As for the analysis of voice quality, there are studies that allow us to study the tremors caused by neurodegenerative diseases. Uno de estos casos es un software desarrollado por el hospital Vithas Nuestra señora de América y el centro Tecnológico de Biomedicina de la Universidad Politécnica de Madrid, que proporcionan información sobre Defecto de Cierre Glótico y Vibración Asimétrica de los Pliegues Vocales. One such case is a software developed by the hospital Vithas Our Lady of America and the Technology Center of Biomedicine at the Polytechnic University of Madrid, which provide information on Defect and Vibration Asymmetrical glottal closure of the vocal folds.

ii) Pedro Gómez, Victoria Rodellar, Víctor Nieto, Rafael Martínez, Agustín Álvarez, Bartolomé Scola, Carlos Ramírez, Daniel Poletti1, Mario Fernández, "BioMet®Phon: A System to Monitor Phonation Quality in the Clinics” ii) Pedro Gomez, Victoria Rodellar, Victor Nieto, Rafael Martinez, Agustin Alvarez, Bartholomew Scola, Carlos Ramirez, Daniel Poletti1, Mario Fernández, "BioMet®Phon: A System to Monitor Quality in the Phonation Clinics"

Por otro lado, en la actualidad existen varias pruebas médicas, en el ámbito clínico, para detectar la enfermedad del Parkinson: On the other hand, there are several medical tests in the clinical setting today to detect Parkinson's disease:

• SPECT cerebral. • SPECT brain. El SPECT cerebral es una prueba gammagráfica, en la cual se utiliza una pequeña cantidad de radioactividad para obtener imágenes cerebrales, con lo cual se pueden detectar crisis parciales. Brain SPECT scintigraphy is a test in which a small amount of radioactivity is used for brain imaging, which can be detected partial seizures.

• PET cerebral: Es una tecnología dentro de la especialidad de la medicina nuclear. • PET brain is a technology within the specialty of nuclear medicine. Se basa en detectar y analizar la distribución adoptada por un radiofármaco dentro del cerebro. It is based on detecting and analyzing adopted by a radiopharmaceutical distribution within the brain.

• Ecografía transcraneal: prueba médica que mediante ultrasonidos estimula la actividad neuronal. • Transcranial Ultrasound medical test using ultrasound stimulates neuronal activity.

Este repaso por el estado del arte, permite visualizar los trabajos y los modos de trabajo realizados hasta el momento, y demuestra la innovación de la propuesta, al trabajar con información tridimensional a la hora de obtener la información de los posibles usuarios del sistema. This review of the state of the art, allows you to view work and modes of work done so far and demonstrates the innovation of the proposal, working with three-dimensional information when obtaining information from potential users of the system.

Sumario de la invención SUMMARY OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un método de realización de análisis que permite medir de manera no invasiva los temblores que puedan tener algunas personas, para asimilar The present invention relates to a method of performing analysis to measure noninvasively tremors that may have some people to assimilate

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dicho temblor al producido por la enfermedad del Parkinson. said tremor caused by Parkinson's disease. Este método se implementa siguiendo los siguientes cinco pasos: This method is implemented using the following five steps:

i) Obtención de los datos mediante el uso de sensores de detección de actividad volumétrica, para así realizar una prueba no invasiva de la representación de la espiral de Arquímedes. i) Data collection using detection sensors volumetric activity, thus non invasive representation of Archimedean spiral test.

ii) Pre-procesado de los datos obtenidos, para de esta manera, evitar factores como translación espacial, escalabilidad o rotación. ii) Pre-processing of the data, to thereby avoid factors such as spatial translation, rotation or scaling.

iii) Comparación de las espirales 3D obtenidas frente a la espiral de Arquímedes ideal, para así calcular los errores entre ambas representaciones. iii) Comparison of 3D spirals obtained against the spiral of Archimedes ideal, in order to calculate the errors between the two representations.

iv) Definición de los umbrales por los que un temblor es considerado como temblor de Parkinson, o temblor funcional propio de la persona u otro tipo de enfermedad a realizar la espiral de Arquímedes. iv) Definition of thresholds by a quake is considered as Parkinson tremor or own functional tremor of the person or other disease to make the Archimedean spiral.

v) Obtener un resultado en una escala numérica, que identifica el temblor a una persona sana, o propio de la enfermedad del Parkinson al implementar una representación tridimensional de la espiral de Arquímedes. v) Obtain a score on a numerical scale, which identifies the tremor healthy, or proper person Parkinson's disease by implementing a three-dimensional representation of the Archimedean spiral.

Descripción de las figuras DESCRIPTION OF FIGURES

La figura 1 muestra en forma de diagrama de bloques los cinco pasos que conforma este método. 1 shows in block diagram form five steps up this method. El primer paso, es la adquisición de datos, que se realiza de forma no invasiva a trasvés de sensores. The first step is the acquisition of data, which is performed noninvasive sensor trasvés. Le sigue el pre-procesado, donde se transforman los datos para evitar factores como el escalado, la rotación o la translación. Followed by the pre-processing, where the data are transformed to avoid factors such as scaling, rotation or translation. Una vez pre-procesados los datos, se les aplica un algoritmo clasificador, en este caso el Dynamic Time Warping, cuyo resultado serán los errores entre las espirales adquiridas y la espiral patrón. Once pre-processed data, an algorithm is applied classifier, in this case the Dynamic Time Warping, that will result in errors between the spiral and the spiral pattern acquired. Posteriormente, se fijan los valores umbrales por los cuales se van a poder diferenciar los temblores, ya razón de esto se podrá interpretar el resultado de la comparación Subsequently, the threshold values ​​for which they are to be able to differentiate tremors are fixed, and reason for this may be interpreted the result of the comparison

La figura 2 muestra la ventana utilizada como guía, para hacer la prueba mas intuitiva al usuario. Figure 2 shows the window used as a guide to make the most intuitive user test.

La figura 3 muestra una de las pruebas realizada a un paciente sano. Figure 3 shows one of the evidence for a healthy patient. En ella se puede observar la espiral captada por los sensores y representada en el plano XY. It can be seen the spiral captured by the sensors and displayed in the XY plane.

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La figura 4 muestra una de las pruebas realizada a un paciente con temblor leve. Figure 4 shows a test carried out on a patient with mild tremor. En ella se puede observar la espiral captada por los sensores y representada en el plano XY. It can be seen the spiral captured by the sensors and displayed in the XY plane.

La figura 5 muestra una de las pruebas realizada a un paciente con temblor moderado. Figure 5 shows a test scan of a patient with moderate shaking. En ella se puede observar la espiral captada por los sensores y representada en el plano XY. It can be seen the spiral captured by the sensors and displayed in the XY plane.

La figura 6 muestra una de las pruebas realizada a un paciente sano. Figure 6 shows a test performed to a healthy patient. En ella se puede observar la espiral captada por los sensores y representada en las tres dimensiones. It can be seen the spiral captured by the sensors and displayed in three dimensions.

La figura 7 muestra una de las pruebas realizada a un paciente con temblor leve. Figure 7 shows a test performed on a patient with mild tremor. En ella se puede observar la espiral captada por los sensores y representada en las tres dimensiones. It can be seen the spiral captured by the sensors and displayed in three dimensions.

La figura 8 muestra una de las pruebas realizada a un paciente con temblores moderados. Figure 8 shows a test performed on a patient with moderate shaking. En ella se puede observar la espiral captada por los sensores y representada en las tres dimensiones. It can be seen the spiral captured by the sensors and displayed in three dimensions.

La figura 9 muestra la espiral de referencia, la espiral de Arquímedes ideal. Figure 9 shows the spiral reference, ideal Archimedes spiral.

En la figura 10 se representa la espiral de Arquímedes ideal en tres dimensiones. In Figure 10 the spiral of Archimedes ideal represented in three dimensions.

Se muestra la Figura 11, como la imagen obtenida a la salida del algoritmo Dynamic Time Warping, al comparar una serie temporal tridimensional, procedente de una persona sana, resaltando en rojo el camino óptimo de deformación Figure 11 shows, as an image outputted Dynamic Time Warping algorithm when comparing a temporary three-dimensional series from a healthy person, highlighted red optimal path deformation

Se muestra la Figura 12, como la imagen obtenida a la salida del algoritmo Dynamic Time Warping, al comparar una serie temporal tridimensional, procedente de una persona con temblores moderados, resaltando en rojo el camino óptimo de deformación Figure 12, as the image outputted Dynamic Time Warping algorithm when comparing a temporary three-dimensional series from a person with moderate shaking shown, highlighted red optimal path deformation

Descripción detallada de una realización preferida de la invención Detailed description of a preferred embodiment of the invention

La invención propuesta consiste en un método de realización de análisis que sea capaz de captar temblores funcionales a través de sensores no invasivos, en tres dimensiones al realizar la espiral de Arquímedes, para una posterior clasificación basada en estudio de errores, tal y como se indica en la figura 1. The invention proposal is a method of performing analysis that is able to capture functional tremors through non-invasive sensors in three dimensions to make the Archimedean spiral for a subsequent classification based on study of errors, as indicated in figure 1.

El primer paso consiste en la adquisición de los datos que conforman la espiral de Arquímedes en tres dimensiones. The first step is the acquisition of data that make up the Archimedean spiral in three dimensions. Para ello se ha creado un dibujo que contiene la espiral a dibujar, para así, proponer una guía en la prueba, tal y como se muestra en la figura 2. For this it has created a drawing containing the spiral to draw, to thus propose a guide in the test, as shown in Figure 2.

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La adquisición de datos se realiza de forma aérea, a través de sensores de captación de la actividad volumétrica, realizada por la persona a analizar; The data acquisition is carried out aerially, via pickup sensors volumetric activity by the individual to be analyzed; por lo que el resultado obtenido es una serie temporal de tres componentes, una por cada posición tridimensional. so the result is a time series of three components, one for each three-dimensional position.

Una vez obtenidos los datos de la espiral de Arquímedes tridimensional a estudiar, se lleva a cabo un pre-procesado de estos datos, para de este modo, evitar factores como la magnitud, translación o rotación. Once data spiral dimensional studying Archimedes obtained, it is carried out a pre-processing of these data, to thereby avoid factors such as the magnitude, translation or rotation. Para este paso, es necesario normalizar los valores obtenidos para hacerlos independientes del escalado de cada espiral. For this step, it is necessary to normalize the values ​​obtained for scaling them independent of each spiral. La normalización aplicada responde a la siguiente expresión: Standardization applied responds to the following expression:

x\n] x \ n]

^normalizada m^x[n^ iUU ^ Normalized m x [n ^ UUI

Donde x[n] es una de las componentes de la serie temporal captada, yn la posición en el vector de la serie temporal. Where x [n] is one of the components of the time series captured, position n in the time series vector.

En lo referido a la independencia en el espacio, se aplica un procesado en derivadas de primer orden a cada uno de los tres ejes de las series temporales, donde la información discreta de las series temporales realizar una adaptación del concepto de derivada en funciones a dichos valores discretos, tal y como se recoge en la siguiente expresión: In regard to the independence in the space, a processing is applied to first-order derivatives at each of the three axes of the time series, where discrete information in time series an adaptation of the concept of derivative functions such discrete values, as shown in the following expression:

dx[n] dx [n]

—-— «-» x[n + 1] — x[n] dn --- "-" x [n + 1] - x [n] dn

Donde x[n] es una de las componentes de la serie temporal captada, yn la posición en el vector de la serie temporal de la representación de la espiral de Arquímedes. Where x [n] is one of the components of the time series captured, position n in the time series vector representation of Archimedean spiral.

El siguiente paso es comparar la espiral obtenida mediante los sensores no invasivos, con la espiral ideal de Arquímedes. The next step is to compare the spiral obtained by non-invasive sensors, the ideal Archimedean spiral. Para ello, se utiliza un sistema de clasificación como es el Dynamic Time Warping. To do this, a classification system is used as Dynamic Time Warping is. Este algoritmo mide la similitud entre dos series temporales que pueden variar en tiempo o velocidad. This algorithm measures the similarity between two time series vary in time or speed. Mediante el Dynamic Time Warping, se puede encontrar la alineación óptima entre series de dos veces si una serie temporal puede ser "deformada" no linealmente por estiramiento o contracción a lo largo de su eje de tiempo. Dynamic Time Warping by, one can find the optimal alignment between sets twice if a time series can be "deformed" nonlinearly by stretching or contraction along the time axis.

En la aplicación del sistema de clasificación, se mide el error como el resultado de la medida de la distancia euclídea, comparando la serie temporal tridimensional de la espiral de Arquímedes captada por los sensores, y la serie temporal ideal. In the implementation of the classification system, the error is measured as the measurement result of the Euclidean distance, by comparing the three-dimensional temporal series of Archimedean spiral captured by the sensors, and the ideal time series. Esta medida será el valor a establecer frente al umbral de decisión. This measure will be the value to be set against the threshold decision. Y el umbral se establece como el valor intermedio entre la media de las distancias euclídea de personas sanas y la media de personas con la enfermedad de Parkinson. And the threshold is set as the intermediate value between the average Euclidean distances of healthy people and mean people with Parkinson's disease.

Claims (1)

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    REIVINDICACIONES What is claimed
    1.- Método de realización de análisis de los temblores funcionales que puedan padecer las personas. 1. Method of carrying out functional analysis of tremors that people may suffer. Para ello, se aplica un método basado en la toma de datos mediante sensores no invasivos en las tres dimensiones espaciales para representar la espiral de Arquímedes, ya partir de estos poder determinar si dicho temblor pertenece o no a la enfermedad del Parkinson, aplicando la derivada de primer grado a las series tridimensionales captadas de la representación de la espiral y posteriormente, el uso de un sistema de clasificación basado en el cálculo de errores resultado de la medida de la distancia euclídea de la serie temporal tridimensional de la espiral ideal frente la espiral realizada, una componente por cada dimensión del espacio medida. For this, based on the collection of data by non-invasive sensors in the three spatial dimensions to represent the Archimedean spiral method is applied, and from these to determine if the earthquake belongs or not to Parkinson's disease, using the derivative first-degree three-dimensional series captured the representation of the spiral and then use a classification system based on the calculation error measurement result of the Euclidean distance of the temporary three-dimensional series ideal spiral against spiral made, one component for each dimension of the measurement space. Este método consta de los siguientes pasos con invención: This method comprises the following steps invention:
    i) Obtención de los datos tridimensionales de la representación de la espiral de Arquímedes, realizado por una persona de la que se quiere analizar sus temblores, mediante el uso del sensor volumétrico de la actividad aérea a la hora de realizar el trazo. i) Preparation of three-dimensional data representing the Archimedean spiral, made by a person whom you want to analyze your shaking, using volumetric sensor air activity at the time of the stroke.
    ii) Pre-procesado de los datos tridimensionales obtenidos de las series temporales a la hora de realizar una espiral de Arquímedes. ii) Pre-processed three-dimensional data obtained from the time series when performing a spiral of Archimedes. Es necesario realizar un tratamiento a los datos obtenidos del trazado aéreo, para conseguir minimizar errores producidos a la diferencia de tamaños, rotaciones, o adquisiciones en diferentes posiciones del espacio. Treatment is necessary to air the data path, for minimizing errors caused to the difference of sizes, rotations, or acquisitions at different spatial positions. Para ello, se realiza una normalización de los valores de la siguiente forma: For this, a standardization of values ​​is performed as follows:
    x[n] x [n]
    Xnormalizada = *100 Xnormalizada = * 100
    Con esto se puede tratar cada una de las capturas tridimensionales de la representación de la espiral de Arquímedes, como iniciadas en el mismo punto espacial, independientes de su tamaño, y de su traslación. With this we can treat each capture three-dimensional representation of the Archimedean spiral, as started in the same space, independent point size, and its translation. Así como la aplicación de la derivada de primer orden a los datos normalizados para resaltar su variabilidad, mediante la siguiente fórmula: And applying the first order derivative normalized to highlight the variability data, using the following formula:
    dx[n] dx [n]
    —-— «-» x\n + 1] — x[n] dn --- "-" x \ n + 1] - x [n] dn
    iii) Comparación de la derivación de las espirales de Arquímedes tridimensionales obtenidas, con la derivación de la espiral de Arquímedes ideal, para así calcular los errores entre ambas, mediante el estudio de la distancia euclídea. iii) Comparison of the derivation of three-dimensional spirals Archimedes obtained with the derivation of the ideal Archimedean spiral, in order to calculate the errors between them, by studying the Euclidean distance.
    iv) Definición de los umbrales por los que una serie temporal captada por los sensores iv) Definition of thresholds for which a time series captured by the sensors
    5 al realizar la espiral de Arquímedes, es considerada como temblor de Parkinson, o 5 to make the Archimedean spiral is considered as Parkinson's tremor, or
    temblor funcional propio de la persona u otro tipo de enfermedad. own functional tremor of the person or other disease. Este umbral se establece como el valor intermedio entre la media de las distancias euclídea de personas sanas y la media de personas con la enfermedad de Parkinson. This threshold is set as the intermediate value between the average Euclidean distances of healthy people and mean people with Parkinson's disease.
    v) Obtener un resultado en una escala numérica, que identifica que la espiral de v) Obtain a score on a numerical scale, which identifies the spiral
    10 Arquímedes tridimensional captada por los sensores, e incluyendo el umbral 10 tridimensional Archimedes captured by the sensors, and including the threshold
    establecido, así se puede ubicar la media de distancia euclídea de una persona y observar si es sana o tiene la enfermedad del Parkinson; It established and can locate the average of Euclidean distance a person and see if it is healthy or has Parkinson's disease; además de observar la cercanía al umbral. In addition to observing the proximity to the threshold.
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    Figura 1 Figure 1
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    Figura 2 Figure 2
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    Figura 5 Figure 5
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    Figura 7 Figure 7
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    Figura 9 Figure 9
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    Figura 11 Figure 11
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