KR102395312B1 - Dementia prediction apparatus based on artiticial intelligence learning using gait motion - Google Patents

Dementia prediction apparatus based on artiticial intelligence learning using gait motion Download PDF

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Abstract

보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치는, 보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 일정한 크기의 데이터로 전처리하는 데이터 전처리부; 상기 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터를 이용하여 신호 특징들(features)을 추출하는 특징 추출부; 상기 추출된 신호 특징들을 학습하여 치매를 예측하는 복수의 학습 모델을 생성하는 학습부; 상기 복수의 학습 모델을 평가하여 교차검증하는 교차검증부; 및 상기 교차검증을 통해 상기 복수의 학습 모델 중 최적의 학습 모델을 선택하고, 상기 최적의 학습 모델을 이용하여 치매를 예측하는 치매 예측부를 포함한다.An artificial intelligence learning-based dementia prediction device using walking motion is provided. According to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using gait motion, comprising: a data preprocessing unit for preprocessing time series acceleration data and time series angular acceleration data respectively obtained from left and right feet according to a gait motion into data of a certain size; a feature extraction unit for extracting signal features using the preprocessed acceleration data and angular acceleration data; a learning unit for generating a plurality of learning models for predicting dementia by learning the extracted signal features; a cross-validation unit that evaluates and cross-validates the plurality of learning models; and a dementia prediction unit that selects an optimal learning model from among the plurality of learning models through the cross-validation and predicts dementia using the optimal learning model.

Description

보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치{DEMENTIA PREDICTION APPARATUS BASED ON ARTITICIAL INTELLIGENCE LEARNING USING GAIT MOTION}Dementia prediction device based on artificial intelligence learning using gait motion {DEMENTIA PREDICTION APPARATUS BASED ON ARTITICIAL INTELLIGENCE LEARNING USING GAIT MOTION}

본 발명은 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion.

의학의 발전과 함께 노인 인구 비율이 전 세계적으로 증가하는 추세에 있다. 특히, 대한민국은 다른 선진국에 비해 고령화 속도가 매우 빠르게 진행되고 있으며, 급속한 고령화에 따라 치매 환자도 빠르게 증가할 것으로 예측되고 있다.With advances in medicine, the proportion of the elderly population is increasing worldwide. In particular, Korea is aging very rapidly compared to other developed countries, and it is expected that the number of dementia patients will increase rapidly with the rapid aging of the population.

치매 환자 등을 치료하기 위해, 여러 가지 의약품을 사용하고 있으나, 치매를 근본적으로 치료하는 것이 아닌 치매 진행을 늦추는 정도에 불과하다. 그런데, 치매의 초기 단계에서 처방을 받아 치료를 진행할 경우, 비교적 높은 치료 효과를 갖는 것으로 보고되고 있다.Although various drugs are used to treat dementia patients and the like, they do not fundamentally cure dementia, but merely slow the progression of dementia. However, it is reported to have a relatively high therapeutic effect when treatment is carried out with a prescription in the early stage of dementia.

그러므로, 치매의 빠른 예측 및 진단은 치매 증상을 완화함에 있어 매우 중요하다. 이에 따라, 치매의 예측을 통해 증상을 완화시키고, 치매에 따른 사회적 손실 및 경제적 비용을 줄일 수 있다.Therefore, early prediction and diagnosis of dementia is very important in alleviating the symptoms of dementia. Accordingly, it is possible to alleviate symptoms through prediction of dementia, and to reduce social loss and economic cost due to dementia.

이에, 치매를 예측하기 위한 여러 연구가 세계 각국에서 진행되고 있다. 최근, 질병이 있거나 나이가 들어 건강이 나빠지면 보행 속도(Gait Speed)가 감소한다는 것이 UN과 각국의 보건 당국이 지원하는 임상 연구 결과에서 보고되고 있다. 보행 속도는 체간의 이동속도를 의미하며, 이러한 휴먼 동특성은 건강과 비건강인 또는 질환자를 구분하는 특질로 여겨지고 있다. 체간(Trunk)의 이동 속도보다 정밀한 휴먼 동특성을 추출하기 위해, 이동거리를 시간으로 나눠 평균치를 나타내는 속도 개념은 세밀한 특질을 나타내기 힘들다. 그러므로, 지면에 닿고 뜨고를 반복하는 좌우 다리와 발의 움직임을 측정하여 분석하는 방법을 대부분 채택하고 있다.Accordingly, several studies for predicting dementia are being conducted in various countries around the world. Recently, it has been reported in clinical research results supported by the United Nations and national health authorities that gait speed decreases with disease or poor health due to old age. Walking speed refers to the movement speed of the trunk, and this human dynamic characteristic is considered to be a characteristic that distinguishes between healthy and unhealthy or diseased people. In order to extract human dynamic characteristics more precise than the moving speed of the trunk, the speed concept, which represents the average value by dividing the moving distance by time, is difficult to express detailed characteristics. Therefore, most of the methods are used to measure and analyze the movements of the left and right legs and feet that touch the ground and repeat floating.

종래 족저 압력 분포 분석은 발이 땅에 닿았을 때와 발이 땅에 닿아있는 시간을 측정하는 데 그침으로써 3차원 공간에서 움직이는 체간과 하체(Lower Extremity)의 상호 작용을 정밀하게 분석하기 어렵다. 시간적으로 발이 땅에 붙어 있는 구간이 60% 내외이기 때문이다. Conventional plantar pressure distribution analysis only measures the time the foot touches the ground and the time the foot touches the ground, so it is difficult to precisely analyze the interaction between the trunk and lower extremity moving in a three-dimensional space. This is because, in time, the foot is attached to the ground for about 60% of the time.

또한, 3차원 동작검사의 글로벌 기준은 6대 이상의 적외선카메라 세트를 이용하는 방법이다. 검사자의 상체와 하체에 카메라가 위치추적이 가능한 마커(Marker)를 부착하여 시간에 따른 마커의 위치 추적 데이터를 획득한 후, 미분 연산을 수행하여 속도와 가속도와 같은 관성 정보를 추출할 수 있다. 그러나, 이 방법은 대부분의 의료기관에서 속도와 가속도와 같은 관성 데이터를 활용하지 못하고 단순한 관절각도(Range of Motion, 운동가동범위)만을 추출하고 있다.In addition, the global standard for 3D motion inspection is a method using a set of 6 or more infrared cameras. After acquiring the location tracking data of the marker according to time by attaching a marker that a camera can track to the upper and lower body of the examiner, it is possible to extract inertial information such as speed and acceleration by performing a differential operation. However, this method does not utilize inertial data such as speed and acceleration in most medical institutions and extracts only simple joint angle (Range of Motion, range of motion).

그러므로, 치매 질병의 정확한 조기 진단 및 예측을 위해 보행 동작에 따라 획득되는 가속도 데이터나 각가속도 데이터와 같은 관성 데이터를 활용하는 기술은 미비한 실정이다.Therefore, technology for using inertial data such as acceleration data or angular acceleration data obtained according to a gait motion for accurate early diagnosis and prediction of dementia is insufficient.

대한민국 공개특허 2019-0123186호 (2019.10.31. 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2019-0123186 (published on October 31, 2019) 대한민국 공개특허 2019-0123187호 (2019.10.31. 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2019-0123187 (published on October 31, 2019) 대한민국 등록특허 1929965호 (2018.12.11. 등록)Republic of Korea Patent No. 1929965 (Registered on Dec. 11, 2018)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보행 동작에 따라 획득되는 시계열 관성 데이터로부터 특징들을 추출하여 인공지능 학습을 통해 생성된 모델을 이용하여 조기에 치매를 예측할 수 있는 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치를 제공한다.The present invention is to solve the above problem, and by extracting features from time-series inertial data obtained according to gait motion and using a model generated through artificial intelligence learning, artificial intelligence learning using gait motion that can predict dementia at an early stage A device for predicting dementia based on the present invention is provided.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치는, 보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 일정한 크기의 데이터로 전처리하는 데이터 전처리부; 상기 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터를 이용하여 신호 특징들(features)을 추출하는 특징 추출부; 상기 추출된 신호 특징들을 학습하여 치매를 예측하는 복수의 학습 모델을 생성하는 학습부; 상기 복수의 학습 모델을 평가하여 교차검증하는 교차검증부; 및 상기 교차검증을 통해 상기 복수의 학습 모델 중 최적의 학습 모델을 선택하고, 상기 최적의 학습 모델을 이용하여 치매를 예측하는 치매 예측부를 포함한다.In order to achieve the above object, the apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using walking motion according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is to convert time series acceleration data and time series angular acceleration data respectively obtained from left and right feet according to the walking motion to data of a certain size. data pre-processing unit for pre-processing; a feature extraction unit for extracting signal features using the preprocessed acceleration data and angular acceleration data; a learning unit for generating a plurality of learning models for predicting dementia by learning the extracted signal features; a cross-validation unit that evaluates and cross-validates the plurality of learning models; and a dementia prediction unit that selects an optimal learning model from among the plurality of learning models through the cross-validation and predicts dementia using the optimal learning model.

또한, 상기 데이터 전처리부는, 보행자의 좌우 양발에 각각 부착된 3차원 가속도 센서 및 3차원 각가속도 센서로부터 상기 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 획득하여 전처리할 수 있다.In addition, the data preprocessor may obtain and preprocess the time series acceleration data and time series angular acceleration data from a 3D acceleration sensor and a 3D angular acceleration sensor respectively attached to the left and right feet of the pedestrian.

또한, 상기 데이터 전처리부는, 상기 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 크기가 동일하도록 분할하고, 분할된 데이터를 일정한 크기로 오버래핑하여 정규화할 수 있다.Also, the data preprocessor may divide the time series acceleration data and the time series angular acceleration data to have the same size, and normalize the divided data by overlapping the divided data with a predetermined size.

또한, 상기 특징 추출부는, 상기 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터 각각의 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수를 포함하는 신호 특징들을 추출할 수 있다.Also, the feature extractor may extract signal features including an average, standard deviation, energy, entropy, a first cross-correlation coefficient, and a second cross-correlation coefficient of each of the preprocessed acceleration data and the angular acceleration data.

또한, 상기 특징 추출부는, 상기 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수 각각의 서브 신호 특징들을 연산할 수 있다.Also, the feature extractor may calculate the sub-signal features of the average, standard deviation, energy, entropy, first cross-correlation coefficient, and second cross-correlation coefficient, respectively.

또한, 상기 학습부는, k-NN, SVM, Random Forest, Extra Tree, XGBoost 알고리즘 중 적어도 하나의 알고리즘을 사용하여 상기 신호 특징들을 학습할 수 있다.Also, the learning unit may learn the signal features by using at least one of k-NN, SVM, Random Forest, Extra Tree, and XGBoost algorithms.

또한, 상기 교차검증부는, 학습 데이터 세트 변화 교차검증 방식, K-fold 교차검증 방식 및 Leave-P-Out 교차검증 방식을 이용하여 교차검증할 수 있다.In addition, the cross-validation unit may perform cross-validation using a learning data set change cross-validation method, a K-fold cross-validation method, and a Leave-P-Out cross-validation method.

그리고, 상기 치매 예측부는, 검사자로부터 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터로부터 추출한 신호 특징들을 상기 최적의 학습 모델에 적용하여 치매를 예측할 수 있다.The dementia prediction unit may predict dementia by applying the time series acceleration data obtained from the examiner and signal features extracted from the time series angular acceleration data to the optimal learning model.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명에 따르면, 보행 동작에 따라 획득되는 시계열 관성 데이터로부터 특징들을 추출하여 인공지능 학습을 통해 생성된 모델을 이용하여 조기에 치매를 예측하고 진단할 수 있다.According to the present invention, it is possible to predict and diagnose dementia early by using a model generated through artificial intelligence learning by extracting features from time-series inertial data obtained according to a gait motion.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치를 포함한 전체 시스템의 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 관성 데이터의 직교성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 시계열 관성 데이터의 전처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 시계열 관성 데이터에서 도출된 신호 특징들의 정량화하여 배치되는 패턴을 도시한 도면이다.
도 7은 건강한 사람과 치매 환자를 구분하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 방법의 순서를 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating the concept of an entire system including an artificial intelligence learning-based dementia prediction device using a walking motion according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating the configuration of an apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining orthogonality of inertia data.
4 and 5 are diagrams for explaining a preprocessing process of time series inertia data.
6 is a diagram illustrating a pattern arranged by quantifying signal features derived from time series inertia data.
7 is a view for explaining a method of distinguishing a healthy person from a dementia patient.
8 is a diagram illustrating a sequence of a method for predicting dementia based on artificial intelligence learning using a walking motion according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.It should be understood that although first, second, etc. are used to describe various elements, components, and/or sections, these elements, components, and/or sections are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component, or sections from another. Accordingly, it goes without saying that the first element, the first element, or the first section mentioned below may be the second element, the second element, or the second section within the spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” and/or “made of” refers to a referenced component, step, operation and/or element of one or more other components, steps, operations and/or elements. The presence or addition is not excluded.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

이때, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 처리 흐름도 도면들의 각 구성과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 구성(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. In this case, the same reference numerals refer to the same components throughout the specification, and it will be understood that each configuration of the process flowchart drawings and combinations of the flowchart drawings may be performed by computer program instructions. These computer program instructions may be embodied in a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment, such that the instructions performed by the processor of the computer or other programmable data processing equipment are not described in the flowchart configuration(s). It creates a means to perform functions.

또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 구성들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 구성들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 구성들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.It should also be noted that in some alternative embodiments it is also possible for the functions recited in the configurations to occur out of order. For example, it is possible that two components shown one after another may in fact be performed substantially simultaneously, or that the components may sometimes be performed in the reverse order according to the corresponding function.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치를 포함한 전체 시스템의 개념을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating the concept of the entire system including the apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치(100, 이하 '치매 예측 장치'라 한다)는 네트워크를 통해 검사기관 서버(20)로부터 검사자의 데이터 및 보건의료 데이터베이스(10)에 저장된 보건의료 정보를 획득할 수 있다. 네트워크로 인터넷 등을 들 수 있다.Referring to FIG. 1 , an artificial intelligence learning-based dementia prediction apparatus 100 (hereinafter referred to as a 'dementia prediction apparatus') using a walking motion according to an embodiment of the present invention is transmitted from an examination institution server 20 through a network. Data and health care information stored in the health care database 10 may be obtained. Examples of the network include the Internet.

치매 예측 장치(100)는 보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 획득된 시계열 관성 데이터로부터 치매를 예측할 수 있는 모형을 설계하고, 이를 이용하여 신규 검사자의 치매, 경도인지장애, 정상 등을 판단하여 치매를 예측할 수 있다. 이러한 치매 예측 장치(100)의 구체적인 구성과 기능 등은 후술하여 살펴보도록 한다.The dementia prediction device 100 designs a model that can predict dementia from time-series inertial data obtained from each of the left and right feet according to gait motion, and uses this to determine dementia, mild cognitive impairment, normality, etc. of a new examiner to prevent dementia predictable. A detailed configuration and function of the dementia prediction device 100 will be described later.

먼저, 보건의료 데이터베이스(10)는 의료기관에서 운영하는 의료기관 DB(11), 공공기관에서 운영하는 공공기관 DB(12) 등을 포함한다. 보건의료 데이터베이스(10)에는 공공에 개방되는 보건의료 데이터, 병원 등에 방문한 환자에 관련된 보건의료 데이터 등이 저장될 수 있다. 보건의료 데이터베이스(10)로부터 치매 검사를 통해 치매 질환 확진을 받은 대상자들의 데이터, 경도인지장애(MCI) 판정을 받은 대상자들의 데이터, 건강한 사람의 데이터를 획득할 수 있다.First, the health care database 10 includes a medical institution DB 11 operated by a medical institution, a public institution DB 12 operated by a public institution, and the like. The health care database 10 may store health care data open to the public, health care data related to a patient visiting a hospital, and the like. Data of subjects diagnosed with dementia disease, data of subjects diagnosed with mild cognitive impairment (MCI), and data of healthy people may be obtained from the health care database 10 .

다음으로, 검사기관 서버(20)는 병원, 공공기관, 연구소, 기업 등 여러 검사기관에서 운용하는 복수의 하위 검사시관 서버(21, 22)를 포함한다. Next, the inspection institution server 20 includes a plurality of sub-inspection inspector servers 21 and 22 operated by various inspection institutions such as hospitals, public institutions, research institutes, and corporations.

각 하위 검사기관 서버(21, 22)에서는 검사자의 양발에 부착한 관성 센서(5)로부터 관성 데이터를 획득할 수 있다. 관성 데이터는 가속도 데이터 및 각가속도 데이터 등을 포함한다. 구체적으로, 관성 센서(5)는 가속도 센서 및 각가속도 센서를 포함할 수 있으며, 가속도 센서 또는 각가속도 센서를 구분하는 개념이 아닌 하나의 센서 유닛을 나타낼 수도 있다. 가속도 센서는 3차원 상에서 3축 방향의 가속도를 측정하는 센서이고, 각가속도 센서는 3차원 상에서 3축 방향의 각가속도를 측정하는 센서이다.Each of the sub-inspection agency servers 21 and 22 may acquire inertial data from the inertial sensor 5 attached to both feet of the examiner. The inertial data includes acceleration data, angular acceleration data, and the like. Specifically, the inertial sensor 5 may include an acceleration sensor and an angular acceleration sensor, and may represent a single sensor unit rather than a concept that distinguishes the acceleration sensor or the angular acceleration sensor. The acceleration sensor is a sensor that measures acceleration in a three-axis direction in three dimensions, and the angular acceleration sensor is a sensor that measures angular acceleration in a three-axis direction in three dimensions.

또한, 하위 검사기관 서버(21, 22)는 관성 센서(5)와 통신 연결되어 데이터를 획득한다. 구체적으로, 각각의 하위 검사기관 서버(21, 22)는 검사자에 설치된 각 관성 센서(5)로부터 근거리 무선 통신할 수 있다. 예를 들어, 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), NFC(Near Field Communication), 와이브리(Wibree) 등으로 근거리 무선 통신할 수 있다. 일례로, 블루투스 방식으로 반경 10~100m 안에서 무선으로 연결하며, 2.45Ghz 주파수를 사용하고, 와이브리 방식으로 2.4 Ghz 대역의 주파수를 사용하며, 10m 정도까지의 거리를 1Mbps의 통신 속도로 무선으로 연결할 수 있다. In addition, the sub-inspection agency servers 21 and 22 are communicatively connected with the inertial sensor 5 to acquire data. Specifically, each of the subordinate inspection agency servers 21 and 22 may perform short-range wireless communication from each inertial sensor 5 installed in the inspector. For example, short-range wireless communication may be performed using Bluetooth, Zigbee, Near Field Communication (NFC), Wibree, or the like. For example, it connects wirelessly within a radius of 10 to 100m by Bluetooth method, uses a 2.45Ghz frequency, and uses a frequency of 2.4Ghz band in a Wibri method, and connects wirelessly for a distance of up to 10m at a communication speed of 1Mbps. can

그러므로, 관성 센서(5)로부터 근거리 통신 모듈을 이용하여 신뢰성 있는 관성 데이터를 전송받아 네트워크를 통해 각 하위 검사기관 서버(21, 22 ??)에서 원격지에 있는 보건의료 데이터베이스(10), 치매 예측 장치(100) 등으로 전송할 수 있다. 물론, 관성 센서(5)가 상술하여 설명한 근거리 무선 통신에만 제한되지 않고, 다른 무선 통신 방식을 채택할 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.Therefore, by receiving reliable inertial data from the inertial sensor 5 using a short-distance communication module, each sub-inspection agency server 21, 22?? (100) and so on. Of course, it will be apparent to those skilled in the art that the inertial sensor 5 is not limited to the short-range wireless communication described above, and other wireless communication methods may be adopted.

또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 검사 기관이 아닌 각 개인이 관성 센서(5)를 이용하여 획득한 관성 데이터를 각 개인의 사용자 단말(미도시)을 통해 보건의료 데이터베이스(10), 치매 예측 장치(100) 등으로 전송할 수 있다. In addition, although not shown in the drawing, inertial data obtained by each individual, not an inspection institution, by using the inertial sensor 5 is transferred to the health care database 10, dementia prediction device ( 100) and so on.

여기에서, 사용자 단말은 HTML, XML 등 웹 페이지의 내용을 표시할 수 있는 웹 브라우저(넷스케이프, 인터넷 익스플로러, 크롬 등)를 가질 수 있다. 특히, 치매 예측 장치(100)에서 전송되는 치매 예측 정보를 출력하는 역할을 한다. 이러한 사용자 단말은 셀룰러폰(Cellular phone), 피씨에스폰(PCS phone: Personal Communications Services phone), 동기식/비동기식 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000) 등 일반적인 이동 통신 단말, 2G/3G/4G/5G, 와이브로 무선망 서비스가 가능한 단말, 팜 PC(Palm Personal Computer), 개인용 디지털 보조기(PDA: Personal Digital Assistant), 스마트폰(Smart phone), 왑폰(WAP phone: Wireless application protocol phone) 등 네크워크에 접속하기 위한 사용자 인터페이스를 갖는 모든 유무선 가전/통신 장치를 포괄적으로 의미할 수 있으며, IEEE 802.11 무선 랜 네트워크 카드 등의 무선랜 접속을 위한 인터페이스가 구비된 기기일 수 있다. 또한, 사용자 단말은 이동 통신 단말 이외에 컴퓨터, 노트북 등의 정보 통신 기기이거나 이를 포함하는 장치일 수도 있다.Here, the user terminal may have a web browser (Netscape, Internet Explorer, Chrome, etc.) capable of displaying the contents of a web page such as HTML and XML. In particular, it serves to output dementia prediction information transmitted from the dementia prediction apparatus 100 . Such user terminals include general mobile communication terminals such as cellular phone, PCS phone (Personal Communications Services phone), synchronous/asynchronous IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000), 2G/3G/4G/5G , WiBro wireless network serviceable terminal, Palm PC (Palm Personal Computer), personal digital assistant (PDA: Personal Digital Assistant), smart phone (Smart phone), WAP phone (Wireless application protocol phone), etc. It may comprehensively mean all wired and wireless home appliances/communication devices having a user interface for this purpose, and may be a device equipped with an interface for wireless LAN connection, such as an IEEE 802.11 wireless LAN network card. In addition, the user terminal may be an information communication device such as a computer or a notebook computer or a device including the same in addition to the mobile communication terminal.

특히, 사용자 단말이 보건의료 데이터베이스(10), 치매 예측 장치(100) 등에 접속한 경우, 치매 예측과 관련한 여러 정보들, 예를 들어 사용자의 개인 정보, 사용자의 의료 정보, 사용자 생체 정보 등 여러 민감한 정보가 노출될 우려가 있으므로, 사용자 단말의 인증이 필수적이다. 사용자 단말의 인증 단계에서, 텍스트파일 인증모듈(mod_auth), DBM인증모듈 (mod_auth_dbm), Berkeley DB 인증모듈(mod_auth_db), Anonymous 인증모듈(mod_auth_anon), PostgreSQL인증모듈, XNS 인증 서비스 중 적어도 하나의 인증 프로토콜을 이용하여 사용자 단말을 인증하게 되나, 이에만 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 특히, 사용자 단말이 최초 접속한 경우 회원 가입을 요청하고, 상기 회원 가입이 완료된 후에 상기 사용자 단말의 인증을 수행하는 것이 바람직하다.In particular, when the user terminal accesses the health care database 10, the dementia prediction device 100, etc., various sensitive information related to dementia prediction, for example, user personal information, user medical information, user biometric information, etc. Since there is a risk of information being exposed, authentication of the user terminal is essential. At least one authentication protocol among text file authentication module (mod_auth), DBM authentication module (mod_auth_dbm), Berkeley DB authentication module (mod_auth_db), Anonymous authentication module (mod_auth_anon), PostgreSQL authentication module, and XNS authentication service in the authentication step of the user terminal It will be apparent to those skilled in the art that the user terminal is authenticated using In particular, when the user terminal accesses for the first time, it is preferable to request a member registration and perform authentication of the user terminal after the membership registration is completed.

다시 도 1을 참조하면, 치매 예측 장치(100)는 보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 전처리한 후, 신호 특징들(features)을 추출하고, 상기 추출된 신호 특징들을 학습하고, 이를 기초로 치매를 예측한다.Referring back to FIG. 1 , the dementia prediction apparatus 100 preprocesses the time series acceleration data and time series angular acceleration data respectively obtained from the left and right feet according to the walking motion, and then extracts signal features, and the extracted signal It learns the characteristics and predicts dementia based on it.

이러한 치매 예측 장치(100)는 특성정보 DB(200)를 통합 관제한다. 특성정보 DB(200)는 치매 예측 장치(100)에서 보행 동작으로부터 획득할 수 있는 시계열 가속도 및 각가속도 데이터를 이용하여 생성한 신호 특징들(features), 학습 모델들을 저장하고, 관리한다. The dementia prediction apparatus 100 integrates and controls the characteristic information DB 200 . The characteristic information DB 200 stores and manages signal features and learning models generated using time-series acceleration and angular acceleration data obtainable from a walking motion in the dementia prediction apparatus 100 .

이때, 특성정보 DB(200)에 저장된 각종 정보 및 데이터의 검색, 관리 등을 용이하게 하기 위해 상기 특성정보 DB(200)는 정보의 소스, 특성 등에 따라 치매 예측 장치용 DB, 보건의료 데이터베이스용 DB, 검사기관 서버용 DB 등을 포함할 수 있다. 이러한 특성정보 DB(200)는 정보를 저장하기 위한 논리적 또는 물리적인 저장 서버를 의미하며, 예를 들어, 오라클(Oracle) 사의 Oracle DBMS, 마이크로소프트(Microsoft) 사의 MS-SQL DBMS, 사이베이스(Sybase) 사의 SYBASE DBMS 등의 형태일 수 있으나, 이에만 한정되지 않음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.At this time, in order to facilitate the search and management of various information and data stored in the characteristic information DB 200, the characteristic information DB 200 is a DB for a dementia prediction device and a DB for a health care database according to the source and characteristics of the information. , and may include a DB for inspection agency servers. The characteristic information DB 200 means a logical or physical storage server for storing information, for example, Oracle DBMS of Oracle, MS-SQL DBMS of Microsoft, Sybase ) may be in the form of SYBASE DBMS, etc., but it will be apparent to those skilled in the art that it is not limited thereto.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치의 구성을 도시한 도면이다. 또한, 도 3은 관성 데이터의 직교성을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 4 및 도 5는 시계열 관성 데이터의 전처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram illustrating the configuration of an apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram for explaining orthogonality of inertia data. 4 and 5 are diagrams for explaining a preprocessing process of time series inertia data.

도 2를 참조하면, 치매 예측 장치(100)는 장치 통신부(105), 데이터 전처리부(110), 특징 추출부(120), 학습부(130), 교차검증부(140), 치매 예측부(150), 장치 입력부(160), 장치 저장부(170), 장치 출력부(180), 장치 제어부(190) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the dementia prediction device 100 includes a device communication unit 105 , a data preprocessing unit 110 , a feature extraction unit 120 , a learning unit 130 , a cross validation unit 140 , and a dementia prediction unit ( 150 ), a device input unit 160 , a device storage unit 170 , a device output unit 180 , a device control unit 190 , and the like.

통신부(105)는 네트워크를 통해 보건의료 데이터베이스(10), 검사기관 서버(20) 등과 통신한다. 보건의료 데이터베이스(10)에 저장된 데이터, 검사기관 서버(20)에서 관성 센서(5)로부터 획득한 데이터 등을 통신부(105)를 통해 획득하고, 치매 예측 정보 등을 통신부(105)를 통해 보건의료 데이터베이스(10), 검사기관 서버(20) 등에 전송할 수 있다.The communication unit 105 communicates with the health care database 10 , the inspection institution server 20 , and the like through a network. Data stored in the health care database 10, data obtained from the inertial sensor 5 in the inspection institution server 20, etc. are acquired through the communication unit 105, and dementia prediction information is transmitted through the communication unit 105 for health care It can be transmitted to the database 10, the inspection agency server 20, and the like.

데이터 전처리부(110)는 보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 일정한 크기의 데이터로 전처리한다. 여기에서, 전처리란 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 치매 예측을 위해 사용될 값으로 설정하거나, 치매 예측에 사용될 학습 모델에서 요구하는 형식의 데이터로 처리하는 것을 의미한다.The data preprocessor 110 preprocesses the time-series acceleration data and the time-series angular acceleration data respectively obtained from the left and right feet according to the walking motion into data of a predetermined size. Here, the preprocessing means setting the time series acceleration data and the time series angular acceleration data as values to be used for dementia prediction, or processing the time series acceleration data and time series angular acceleration data as data in a format required by the learning model to be used for dementia prediction.

여기에서, 도 1에 도시한 바와 같이, 데이터 전처리부(110)는 보행자의 좌우 양발에 각각 부착된 3차원 가속도 센서 및 3차원 각가속도 센서로부터 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 획득하여 전처리할 수 있다.Here, as shown in FIG. 1, the data preprocessing unit 110 obtains time series acceleration data and time series angular acceleration data from the three-dimensional acceleration sensor and the three-dimensional angular acceleration sensor respectively attached to the left and right feet of the pedestrian and can be pre-processed. .

이러한 치매 예측을 위한 데이터는 검사자의 보행 동작에 따라 좌우측 센서별(가속도 센서 및 각가속도 센서) 시계열(Time Series) 데이터이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 이러한 시계열 데이터는 시계열 가속도 데이터 Ax, Ay, Az와 시계열 각가속도 데이터 Gx, Gy, Gz로 이루어진다. 그리고, Ax, Ay, Az 간에 서로 직교하고, Gx, Gy, Gz 간에 서로 직교하는 직교성을 가진다.The data for predicting dementia is time series data for each left and right sensors (acceleration sensor and angular acceleration sensor) according to the examiner's gait motion. As shown in FIG. 3 , the time series data includes time series acceleration data Ax, Ay, and Az and time series angular acceleration data Gx, Gy, and Gz. In addition, Ax, Ay, and Az are orthogonal to each other, and Gx, Gy, and Gz are orthogonal to each other.

이때, Ax는 전후방향의 가속도 데이터, Ay는 측내외 방향의 가속도 데이터, Az는 수직방향의 가속도 데이터를 의미한다. 또한, Gx는 전후방향을 축으로 회전하는 각가속도 데이터, Gy는 측내외방향을 축으로 회전하는 각가속도 데이터, Gz는 수직방향을 축으로 회전하는 각가속도 데이터를 의미한다. 그리고, 각각의 가속도 데이터 및 각가속도 데이터는 좌측발에서 획득되는 시계열 데이터와 우측발에서 획득되는 시계열 데이터로 구분된다. In this case, Ax denotes acceleration data in the front-rear direction, Ay denotes acceleration data in the inner and outer directions, and Az denotes acceleration data in the vertical direction. In addition, Gx denotes angular acceleration data that rotates in the front-back direction as an axis, Gy denotes angular acceleration data that rotates in the inner and outer directions as an axis, and Gz denotes angular acceleration data that rotates in the vertical direction as an axis. In addition, each of the acceleration data and the angular acceleration data is divided into time series data obtained from the left foot and time series data obtained from the right foot.

특히, 데이터 전처리부(110)는 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 크기가 동일하도록 분할하고, 분할된 데이터를 일정한 크기로 오버래핑하여 정규화할 수 있다. 시계열 데이터는 연속 데이터이며, 정량적 범위가 너무 크면 노이즈로 판단되거나 또는 과적합(overfitting)을 유발할 수 있으나, 이러한 데이터의 전처리를 통해 시간 종속적인 시계열 데이터를 시간 독립적인 데이터로 변환할 수 있고, 데이터의 정규화(normalization)이 이루어진다.In particular, the data preprocessor 110 may divide the time-series acceleration data and the time-series angular acceleration data to have the same size, and normalize the divided data by overlapping the divided data with a predetermined size. Time series data is continuous data, and if the quantitative range is too large, it may be judged as noise or cause overfitting. normalization is performed.

예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 검사자의 보행 동작에서 데이터 크기를 n으로 하여 1회 트라이얼(trial)로 정의하고, 데이터 크기 m만큼 간격(gap)을 두어 오버래핑(overlapping)되도록 데이터를 분할할 수 있다. For example, as shown in FIG. 4 , in the gait motion of the examiner, the data size is defined as n, and the data is defined as a one-time trial, and the data is overlapped by placing a gap by the data size m. can be divided

그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 맨 처음 정규화된(Normalized) 데이터 크기 n의 센서별 신호들을 1회차 Trial(1st trial)이라 하며, 마지막 정규화된(Normalized) 데이터 크기 n의 센서별 신호들을 N회차 Trial(Nth trial)이라 할 수 있다.And, as shown in FIG. 5 , the first normalized (Normalized) data size n signals for each sensor are called a first trial (1st trial), and the last normalized (Normalized) data size n signals for each sensor are N It can be called a round trial (Nth trial).

구체적으로, 샘플링을 100Hz으로 할 때, 1분 검사에 약 80회차의 Trial 데이터 세트가 생성될 수 있다. 1명의 검사자가 1분간 센서를 착용하고, 검사를 수행할 경우에 좌우측 합쳐서 12개의 데이터가 얻어진다.Specifically, when sampling is set to 100 Hz, a trial data set of about 80 times may be generated in one minute inspection. When one examiner wears the sensor for 1 minute and performs the examination, 12 pieces of data are obtained by adding the left and right sides.

특징 추출부(120)는 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터를 이용하여 신호 특징들(features)을 추출한다.The feature extraction unit 120 extracts signal features by using the preprocessed acceleration data and the angular acceleration data.

예를 들어, 특징 추출부(120)는 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터 각각의 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수를 포함하는 신호 특징들을 추출할 수 있다. 이러한 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수는 건강한 사람과 치매 환자에 따라 다른 값을 가지게 된다.For example, the feature extraction unit 120 may extract signal features including the mean, standard deviation, energy, entropy, first cross-correlation coefficient, and second cross-correlation coefficient of each of the preprocessed acceleration data and angular acceleration data. . The mean, standard deviation, energy, entropy, first cross-correlation coefficient, and second cross-correlation coefficient have different values depending on the healthy person and the dementia patient.

여기에서, 평균(average, Mij)은 다음의 수학식 1에 의해 연산할 수 있다.Here, the average (average, Mij) can be calculated by Equation 1 below.

Figure 112019125585707-pat00001
Figure 112019125585707-pat00001

상기 수학식 1에서, n은 데이터 전처리에 의한 데이터의 크기이며, j는 좌우측 가속도 및 각가속도 데이터인 12개의 데이터이다. 또한, i는 Trial Number이며, 이는 검사자의 검사 시간에 따라 결정될 수 있다. 그리고, k는 데이터의 크기에 따라 결정되며,

Figure 112019125585707-pat00002
이 된다. 상기 k는 데이터의 크기 단위에 따라 bit 단위로 설정되어 임의의 자연수가 된다. 예를 들어, k의 상한인 n은 데이터 크기가 되므로, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 등으로 적절하게 설정될 수 있다.In Equation 1, n is the size of data by data preprocessing, and j is 12 pieces of data that are left and right acceleration and angular acceleration data. In addition, i is a trial number, which may be determined according to the examination time of the examiner. And, k is determined according to the size of the data,
Figure 112019125585707-pat00002
becomes this The k is set in bit units according to the data size unit and becomes an arbitrary natural number. For example, since n, which is the upper limit of k, becomes the data size, it may be appropriately set to 32, 64, 128, 256, 512, 1024, or the like.

또한, 표준편차(standard deviation, Stdij)는 다음의 수학식 2에 의해 연산할 수 있다.In addition, standard deviation (Stdij) can be calculated by Equation 2 below.

Figure 112019125585707-pat00003
Figure 112019125585707-pat00003

또한, 에너지(energy, Eij)는 다음의 수학식 3에 의해 연산할 수 있다.In addition, energy (Eij) can be calculated by Equation 3 below.

Figure 112019125585707-pat00004
Figure 112019125585707-pat00004

상기 수학식 3에서, FFT는 고속 푸리에 변환을 의미한다.In Equation 3, FFT means fast Fourier transform.

또한, 엔트로피(entropy, Epij)는 다음의 수학식 4에 의해 연산할 수 있다.In addition, entropy (Epij) can be calculated by the following Equation (4).

Figure 112019125585707-pat00005
Figure 112019125585707-pat00005

구체적으로, 상기 수학식 1에 따른 평균(Mij)은 12개의 데이터가 값이 다르나, 건강한 사람의 데이터 세트는 좌우측의 Ax, Ay, Az중에서 Ax/Ay, Az/Ay, 좌우측 Gx, Gy, Gz중에서 Gy/Gx, Gy/Gz이 모두 1보다 크다. 1분간 보행 동작의 검사를 하면, 약 80회차의 Trial 데이타 세트가 생성되고, 건강한 사람은 80회 평균 Ax/Ay, Az/Ay, Gy/Gx, Gy/Gz이 1보다 크다. 치매 환자는 80회 평균 Ax/Ay, Az/Ay, Gy/Gx, Gy/Gz이 1보다 작다.Specifically, in the mean (Mij) according to Equation 1, 12 data have different values, but in the data set of a healthy person, Ax/Ay, Az/Ay, left and right Gx, Gy, Gz among Ax, Ay, and Az on the left and right Among them, both Gy/Gx and Gy/Gz are greater than 1. Upon examination of the gait motion for 1 minute, a trial data set of about 80 rounds is generated, and in a healthy person, the average Ax/Ay, Az/Ay, Gy/Gx, Gy/Gz of 80 times is greater than 1. Dementia patients have an average of 80 Ax/Ay, Az/Ay, Gy/Gx, and Gy/Gz less than 1.

또한, 상기 수학식 2에 따른 표준편차(Stdij)를 상기 수학식 1에 따른 평균(Mij)으로 나누어 CV(Coefficient of Variation)를 연산할 수 있고, 건강한 사람의 CV값은 좌우측의 Ax, Ay, Az, Gx, Gy, Gz의 80회 CV 평균이 1자리를 가지는데 반해, 치매환자의 경우에는 좌우측의 Ax, Ay, Az, Gx, Gy, Gz의 80회 CV 평균이 2자리를 가진다.In addition, the CV (Coefficient of Variation) can be calculated by dividing the standard deviation (Stdij) according to Equation 2 by the mean (Mij) according to Equation 1, and the CV value of a healthy person is Ax, Ay, The average of 80 CVs of Az, Gx, Gy, and Gz has 1 digit, whereas in dementia patients, the average of 80 CVs of Ax, Ay, Az, Gx, Gy, and Gz on the left and right has 2 digits.

또한, 상기 수학식 3에 따른 에너지(Eij)는 12개의 데이터가 값이 다르나, 1분간 동작검사를 하면 약 80회 데이타 세트의 결과가 나오는데, 건강한 사람은 80회 총 평균 Ax의 에너지 값은 Ay 에너지 값보다 크고 Gy의 에너지 값은 Gx의 에너지 값과 Gz의 에너지 값보다 80회 평균이 크다. 그러나, 치매환자의 경우에는 Ax의 에너지 값은 Ay 에너지 값보다 작고 Gy의 에너지 값은 Gx의 에너지 값과 Gz의 에너지 값보다 80회 평균이 작다.In addition, the energy (Eij) according to Equation 3 has different values for the 12 data sets, but when the motion test is performed for 1 minute, the result of the data set is about 80 times. For a healthy person, the energy value of the average Ax of 80 times is Ay It is greater than the energy value and the energy value of Gy is 80 times greater than the energy value of Gx and the energy value of Gz. However, in the case of dementia patients, the energy value of Ax is smaller than the energy value of Ay, and the energy value of Gy is 80 times smaller than the energy value of Gx and the energy value of Gz.

또한, 상기 수학식 4에 따른 엔트로피(Epij)는 12개의 데이터가 값이 다르나, 건강한 사람의 좌우측의 Ax, Ay, Az, Gx, Gy, Gz의 엔트로피 합이 치매 환자와 비교해서 크다. 또한, 좌우 Ay의 엔트로피 값은 건강한 사람이 치매 환자보다 크며, 좌우 Gx의 엔트로피 값은 건강한 사람이 치매 환자보다 크다. 이때, 엔트로피가 크다는 의미는 80회 총 평균에 해당한다.In addition, although the entropy (Epij) according to Equation 4 has different values for 12 data, the sum of entropy of Ax, Ay, Az, Gx, Gy, and Gz of the left and right sides of a healthy person is larger than that of a dementia patient. In addition, the entropy values of left and right Ay are greater in healthy people than in dementia patients, and the entropy values in left and right Gx are greater in healthy people than in dementia patients. In this case, the high entropy corresponds to the total average of 80 times.

제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수는 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터 각각의 상관 관계를 의미한다.The first cross-correlation coefficient and the second cross-correlation coefficient refer to respective correlations of preprocessed acceleration data and angular acceleration data.

구체적으로, 제1 상호상관계수는 전처리된 가속도 데이터를 2개씩 짝지어 상관 관계를 계산하며, 3개의 신호 특징이 추출된다. 또한, 제1 상호상관계수는 전처리된 각가속도 데이터를 2개씩 짝지어 상관 관계를 계산하며, 3개의 신호 특징이 추출된다. 이에 따라, 제1 상호상관계수는 좌우 양발을 모두 합쳐 12개의 신호 특징이 추출될 수 있다.Specifically, the first cross-correlation coefficient is calculated by pairing the preprocessed acceleration data by two, and three signal features are extracted. In addition, the first cross-correlation coefficient is calculated by pairing the preprocessed angular acceleration data by two, and three signal features are extracted. Accordingly, as for the first cross-correlation coefficient, 12 signal features may be extracted by combining both left and right feet.

구체적으로, 제2 상호상관계수는 전처리된 가속도 데이터를 각각 X축, Y축, Z축을 기준으로 하여 왼발 및 오른발의 상관 관계를 계산하며, 9개의 신호 특징이 추출된다. 또한, 제2 상호상관계수는 전처리된 각가속도 데이터를 각각 X축, Y축, Z축을 기준으로 하여 왼발 및 오른발의 상관 관계를 계산하며, 9개의 신호 특징이 추출된다. 이에 따라, 제2 상호상관계수는 18개의 신호 특징이 추출될 수 있다.Specifically, the second cross-correlation coefficient calculates the correlation between the left foot and the right foot based on the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the preprocessed acceleration data, respectively, and nine signal features are extracted. In addition, the second cross-correlation coefficient calculates the correlation between the left foot and the right foot based on the preprocessed angular acceleration data on the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively, and nine signal features are extracted. Accordingly, as for the second cross-correlation coefficient, 18 signal features may be extracted.

상술하여 설명한 바와 같이, 특징 추출부(120)는 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수를 포함하는 신호 특징들을 수십개 추출함으로써, 치매를 구분하는 기준을 정밀하게 학습시키고, 설정할 수 있다.As described above, the feature extraction unit 120 extracts dozens of signal features including the mean, standard deviation, energy, entropy, the first cross-correlation coefficient, and the second cross-correlation coefficient, thereby accurately determining the criterion for classifying dementia. You can learn and set it up.

또한, 특징 추출부(120)는 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수 각각의 서브 신호 특징들을 연산할 수 있다. 이 때, 상기 서브 신호 특징들은 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수 각각의 값들을 기초로 특징 추출부(120)가 연산하는 신호 특징들을 의미한다.Also, the feature extractor 120 may calculate sub-signal features of the average, standard deviation, energy, entropy, the first cross-correlation coefficient, and the second cross-correlation coefficient, respectively. In this case, the sub-signal features refer to signal features calculated by the feature extracting unit 120 based on respective values of the mean, standard deviation, energy, entropy, the first cross-correlation coefficient, and the second cross-correlation coefficient.

예를 들어, 특징 추출부(120)는 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수 각각의 평균, 표준편차, CV(Coefficient of Variation), RMS(Root Mean Square) 등을 서브 신호 특징들로 연산할 수 있다. 이에 따라, 특징 추출부(120)는 신호 특징들을 수백~수천개 추출함으로써, 치매를 구분하는 기준을 더욱 정밀하게 학습시키고, 설정할 수 있다.For example, the feature extraction unit 120 may include an average, standard deviation, energy, entropy, average, standard deviation, coefficient of variation (CV), and root mean square (RMS) of each of the first and second cross-correlation coefficients. ) can be computed as sub-signal features. Accordingly, the feature extraction unit 120 may more precisely learn and set a criterion for classifying dementia by extracting hundreds to thousands of signal features.

학습부(130)는 추출된 신호 특징들을 학습하여 치매를 예측하는 복수의 학습 모델을 생성한다. 이때, 학습은 치매로 구분되지 않은 데이터를 학습 과정을 통해 치매 등(예를 들어, 치매, 경도인지장애, 일반인)로 분류하는 방법을 익히게 하는 것이다. 또한, 학습부(130)는 새로운 검사 대상자의 관성 데이터 등이 입력되었을 때 학습한 기준에 따라 분류시킬 수도 있다.The learning unit 130 generates a plurality of learning models for predicting dementia by learning the extracted signal features. At this time, learning is to learn how to classify data that is not classified as dementia into dementia or the like (eg, dementia, mild cognitive impairment, the general public) through a learning process. In addition, the learning unit 130 may classify according to the learned criteria when the inertia data of a new test subject is input.

예를 들어, 학습부(130)는 k-NN, SVM, Random Forest, Extra Tree, XGBoost 알고리즘 중 적어도 하나의 알고리즘을 사용하여 신호 특징들을 학습할 수 있다.For example, the learning unit 130 may learn signal features by using at least one of k-NN, SVM, Random Forest, Extra Tree, and XGBoost algorithms.

Random Forest 알고리즘은 수많은 Decision Tree들이 Forest를 구성하여 각각의 예측 결과를 하나의 결과변수로 평균화하는 학습 알고리즘이고, k-NN(k-Nearest Neighbors) 알고리즘 및 SVM알고리즘은 데이터의 분포 공간에서 가장 큰 폭의 경계를 구분하여 데이터가 속하는 분류를 판단하는 비확률적 학습 알고리즘이다. XGBoost 알고리즘 Random Forest의 Tree구조를 무한에 가까운 케이스로 확대하는(Boost) 학습 알고리즘이다. The Random Forest algorithm is a learning algorithm that consists of a forest of numerous decision trees and averages each prediction result into one outcome variable. The k-NN (k-Nearest Neighbors) algorithm and SVM algorithm have the largest width in the data distribution space. It is a non-stochastic learning algorithm that determines the classification to which data belongs by classifying the boundaries of XGBoost Algorithm It is a learning algorithm that expands the tree structure of a random forest to near-infinite cases.

교차검증부(140)는 복수의 학습 모델을 평가하여 교차검증한다. 학습부(130)에서 수행되는 학습 알고리즘의 효율성은 교차검증부(140)에서 검증된다.The cross-validation unit 140 evaluates and cross-validates a plurality of learning models. The efficiency of the learning algorithm performed by the learning unit 130 is verified by the cross validation unit 140 .

여기에서, 교차검증부(140)는 학습 데이터 세트 변화 교차검증 방식, K-fold 교차검증 방식 및 Leave-P-Out 교차검증 방식을 이용하여 교차검증할 수 있다.Here, the cross-validation unit 140 may perform cross-validation using the training data set change cross-validation method, the K-fold cross-validation method, and the Leave-P-Out cross-validation method.

예를 들어, 교차검증부(140)는 공지된 K-fold 교차검증 방식에서, K=10으로 시작하고 K값을 변화시켜 정밀도와 일관도의 변동을 분석할 수 있다. 이때, Stratified k-fold 데이터의 Label 분포까지 고려한다. For example, in the known K-fold cross-validation method, the cross-validation unit 140 may start with K=10 and analyze the change in precision and consistency by changing the K value. At this time, even the label distribution of stratified k-fold data is considered.

구체적으로, 교차검증부(140)는 N개의 데이터를 무작위로 균등한 K개 그룹으로 나누어, 1개의 그룹을 테스트 세트(Test set)로 두고, 나머지 K-1개의 그룹들이 트레이닝 세트(Training set)가 되어 K회 반복 수행하도록 한다.Specifically, the cross-validation unit 140 randomly divides N data into equal K groups, puts one group as a test set, and sets the remaining K-1 groups as a training set. to be repeated K times.

또한, 교차검증부(140)는 공지된 70/30 교차검증 방식에서, 80/20 트레이닝 세트의 변화에 따른 정밀도와 일관도의 변동을 분석할 수 있다. In addition, the cross-validation unit 140 may analyze a change in precision and consistency according to a change in the 80/20 training set in a known 70/30 cross-validation method.

또한, 교차검증부(140)는 공지된 LOO(leave one out) 교차검증 방식에서, Leave-P-Out 교차검증 방식으로 정밀도와 일관도의 변동을 분석할 수 있다.In addition, the cross-validation unit 140 may analyze the variation in precision and consistency from the well-known leave one out (LOO) cross-validation method to the leave-P-out cross-validation method.

구체적으로, 교차검증부(140)는 N개의 데이터 샘플에서 P개의 데이터 샘플을 테스트 세트(Test set)로 하고 P개를 뺀 나머지 N-P개를 트레이닝 세트(Training set)로 두고 학습 모델을 검증할 수 있다.Specifically, the cross-validation unit 140 sets the P data samples from the N data samples as a test set and the remaining N-P after subtracting the P numbers as a training set to verify the learning model. there is.

그리하여, 교차검증부(140)는 학습 데이터 세트 변화 교차검증 방식, K-fold 교차검증 방식 및 Leave-P-Out 교차검증 방식을 통해 학습 알고리즘의 정밀도와 일관도를 평가할 수 있다.Thus, the cross-validation unit 140 may evaluate the precision and consistency of the learning algorithm through the learning data set change cross-validation method, the K-fold cross-validation method, and the Leave-P-Out cross-validation method.

치매 예측부(150)는 교차검증을 통해 복수의 학습 모델 중 최적의 학습 모델을 선택하고, 상기 최적의 학습 모델을 이용하여 치매를 예측한다. 이때, 최적의 학습 모델은 교차검증부(140)에 의한 학습 데이터 세트 변화 교차검증 방식, K-fold 교차검증 방식 및 Leave-P-Out 교차검증 방식을 통해 최대 정밀도 및 일관도를 가진 학습 알고리즘을 의미한다.The dementia prediction unit 150 selects an optimal learning model from among a plurality of learning models through cross-validation, and predicts dementia using the optimal learning model. At this time, the optimal learning model is a learning algorithm with maximum precision and consistency through the cross-validation cross-validation method, the K-fold cross-validation method, and the Leave-P-Out cross-validation method by the cross-validation unit 140 . it means.

여기에서, 치매 예측부(150)는 검사자로부터 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터로부터 추출한 신호 특징들을 최적의 학습 모델에 적용하여 치매를 예측할 수 있다.Here, the dementia prediction unit 150 may predict dementia by applying the time series acceleration data obtained from the examiner and signal features extracted from the time series angular acceleration data to the optimal learning model.

치매를 예측하는 구체적인 모형에 대해서는 후술하여 살펴 보도록 한다.A detailed model for predicting dementia will be described later.

도 6은 시계열 관성 데이터에서 도출된 신호 특징들의 정량화하여 배치되는 패턴을 도시한 도면이다. 그리고, 도 7은 건강한 사람과 치매 환자를 구분하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram illustrating a pattern arranged by quantifying signal features derived from time series inertia data. And, FIG. 7 is a view for explaining a method of distinguishing a healthy person from a dementia patient.

치매 예측 모형은 치매 환자의 데이터 및 정상인의 데이터를 입력으로 하여 신규 검사대상자의 데이터에 기초한 상대적 거리 결과를 출력할 수 있다. 치매 환자 수의 제한적 구성으로 인해 예측 구간의 불연속점을 발생시키는 기존 예측 방법을 인공지능 기반 학습을 통해 힐베르트 공간의 무한개념을 도입할 수 있다. The dementia prediction model may output a relative distance result based on the data of a new test subject by inputting the data of the dementia patient and the data of the normal person. The infinity concept of the Hilbert space can be introduced through artificial intelligence-based learning in the existing prediction method that generates discontinuities in the prediction section due to the limited composition of the number of dementia patients.

예를 들어, 치매 예측 모형은 치매 특질 변수 및 정상인 데이터 간의 거리(유사도)에 기초하여 신규 검사대상자의 치매 상태 결과를 출력할 수 있다. 상기 거리(유사도)를 설정된 임계값을 기준으로 치매 유사 레벨과 건강 레벨을 판단할 수 있다. 치매 유사도에 가까울수록 건강 레벨은 떨어지고 치매 유사도에서 멀어질수록 건강레벨은 상승한다. For example, the dementia prediction model may output the dementia status result of a new test subject based on the distance (similarity) between the dementia characteristic variable and the data of normal persons. The dementia similarity level and the health level may be determined based on the threshold value set for the distance (similarity). The closer to the dementia similarity, the lower the health level, and the farther from the dementia similarity, the higher the health level.

여기에서, 유사도는 K-means 클러스터링 알고리즘과 같은 전통적인 분류 기법으로 대상 집단을 거리의 평균값(유사도)을 기준으로 K개의 군집으로 반복 세분화할 수 있다. 상기 K-means 클러스터링 알고리즘 외에 다른 유용한 알고리즘을 사용할 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. Here, the similarity can be iteratively subdivided into K clusters based on the average value (similarity) of distances using a traditional classification technique such as the K-means clustering algorithm. It will be apparent to those skilled in the art that other useful algorithms other than the K-means clustering algorithm can be used.

특히, 신규 검사대상자의 데이터 입력에 의한 출력의 도출을 반복적으로 수행함으로써 치매 예측 모형의 정확도를 향상시킬 수 있다.In particular, it is possible to improve the accuracy of the dementia prediction model by repeatedly performing the derivation of the output by the data input of the new test subject.

치매 예측부(150)는 치매 예측 모형에 기초하여 신규 검사대상자의 신호 특징에 따른 이상 여부를 판단할 수 있다. 새로운 대상자의 데이터가 입력되면, 상술한 바와 같이, 유사도에 기초하여 치매 상태 레벨의 정량적 레벨이 계산되어 치매 예측 결과를 출력할 수 있다.The dementia prediction unit 150 may determine whether there is an abnormality according to the signal characteristics of the new test subject based on the dementia prediction model. When data of a new subject is input, as described above, a quantitative level of the dementia state level is calculated based on the similarity, and a dementia prediction result may be output.

도 6을 참조하면, 신호 특징들의 추출의 빈도에 따라 정량화되어 배치되는 패턴을 나타낼 수 있으며, 건강한 사람과 치매 환자는 극단적 거리에 배치된 신호 특징들의 빈도에 따라 판단될 수 있다. 이때, 관성 데이터에 따른 신호 특징들을 추출함으로써, 세부 신체 부위의 약화된 부분을 학습시킬 수 있다.Referring to FIG. 6 , an arrangement pattern may be quantified according to the frequency of extraction of signal features, and a healthy person and a dementia patient may be determined according to the frequency of signal features disposed at an extreme distance. In this case, the weakened part of the detailed body part may be learned by extracting signal features according to the inertia data.

도 7을 참조하면, 치매 환자는 빨간색으로 구분될 수 있고, 건강한 사람은 녹색으로 구분될 수 있다. 한편, 치매 또는 건강과 유사한 빈도를 가진 신호 특징들은 기하학적 거리 d로 그 레벨이 구분될 수 있다. Referring to FIG. 7 , a dementia patient may be identified in red, and a healthy person may be identified in green. On the other hand, signal features having a frequency similar to dementia or health may be classified by a geometrical distance d.

신규 검사 대상자의 위치가 치매 중심과 건강 중심의 양측에 동일하게 나타난다면 치매와 건강 상태 상호 간의 유사도는 50:50 이라고 설명할 수 있다. 이때, 거리 개념으로만 치매와 건강의 유사도를 결정하는 단순 패턴보다는 다양한 질환이 결합되어 있는 경우, 도 6에 도시한 바와 같이, 다수 조건으로 판단할 수 있도록 관성 데이터에 따른 세부 신체 부위의 약화된 부분을 학습시킬 수 있다.If the location of the new test subject appears the same on both sides of the center of dementia and the center of health, it can be explained that the similarity between dementia and health status is 50:50. At this time, when various diseases are combined rather than a simple pattern that determines the similarity between dementia and health only with the distance concept, as shown in FIG. part can be learned.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 방법의 순서를 도시한 도면이다.8 is a diagram illustrating a sequence of a method for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 방법은, 보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 획득하며(S110), 상기 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 일정한 크기의 데이터로 전처리하고(S120), 상기 전처리된 가속도 데이터 및 각가속도 데이터를 이용하여 신호 특징들(features)을 추출하고(S130), 치매를 예측하는 복수의 학습 모델을 생성하도록 상기 추출된 신호 특징들을 학습하고(S140), 상기 복수의 학습 모델을 평가하여 교차검증하고(S150), 상기 교차검증을 통해 상기 복수의 학습 모델 중 최적의 학습 모델을 선택하고, 상기 최적의 학습 모델을 이용하여 치매를 예측한다(S160).Referring to FIG. 8 , in the method for predicting dementia based on artificial intelligence using walking motion according to an embodiment of the present invention, time series acceleration data and time series angular acceleration data are respectively obtained from left and right feet according to the walking motion (S110), the Pre-processing time series acceleration data and time series angular acceleration data into data of a certain size (S120), extracting signal features using the preprocessed acceleration data and angular acceleration data (S130), and plural learning to predict dementia Learning the extracted signal features to generate a model (S140), evaluating and cross-validating the plurality of learning models (S150), selecting an optimal learning model among the plurality of learning models through the cross-validation, Dementia is predicted using the optimal learning model (S160).

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 방법의 구체적인 실시예에 대해 살펴 보도록 한다.Hereinafter, a detailed embodiment of a method for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 치매 특성 탐지를 위한 데이터는 검사 대상자의 좌우측 관성 센서별 시계열 데이터이다. 1초에 N회 샘플링하는 시계열 데이터는 정규화 과정을 통해 512개마다 센서별 평균 데이터, 센서별 표준편차 데이터, 센서별 에너지 데이터, 센서별 엔트로피 데이터, 센서별 제1 상호상관계수, 제2 상호상관계수이다. 맨 처음 정규화된 512개 센서별 신호들을 1회차 Trial이라 하고, 샘플링이 100Hz라고 하면 1분 동작시 약 80회차의 Trial 데이터가 생성된다. 1명의 검사대상자가 1분동안 동작검사를 수행했을 때, 6개의 센서는 좌우측 합쳐서 12개로써, 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 및 제2 상호상관계수까지 포함해서 총 78개 데이터 컬럼이 생성된다.First, the data for detecting dementia characteristics is time series data for each left and right inertial sensors of the test subject. The time series data sampled N times per second is averaged data for each sensor, standard deviation data for each sensor, energy data for each sensor, entropy data for each sensor, first cross-correlation coefficient for each sensor, second cross-correlation every 512 through the normalization process. is the coefficient If the first 512 normalized signals for each sensor are called the 1st trial, and the sampling is 100Hz, about 80 trials of data are generated for 1 minute of operation. When one test subject performed a motion test for 1 minute, there were 12 left and right 6 sensors, including mean, standard deviation, energy, entropy, and first and second cross-correlation coefficients for a total of 78 data columns. this is created

치매검사를 통해 치매질환 확진을 받은 대상자 200명과 경도인지장애(MCI) 400명을 기준으로 획득한 데이터베이스를 참고로 했다. 건강한 사람은 6개월 병원 방문경력이 없고 선천적 질환이 없는 40세 미만 남여 3000명 데이터베이스를 기준으로 했다. The database obtained based on 200 people diagnosed with dementia and 400 people with mild cognitive impairment (MCI) was referred to as a reference. Healthy people were based on a database of 3,000 men and women under the age of 40 who had no hospital visits for 6 months and had no congenital diseases.

여기에서, 건강한 사람은 중추신경계, 말초신경계뿐만 아니라 근육과 관절이 Motor Command를 전달하기에 방해물이 없다. 그러나, 치매와 같은 중추신경계퇴행성질환은 Motor Command를 발생시키는 중추신경계 기능이 떨어져서 정상적인 Motor Command가 발생하기 어렵게 된다. 이러한 결과는 Variability로 측정할 수 있다. 이때, Motor Command는 중추신경계(CNS, Central Nervous System)로부터 말초신경계로 전달되는 운동명령신호이다.Here, in a healthy person, there is no obstruction for the central nervous system and peripheral nervous system, as well as muscles and joints to transmit motor commands. However, in the case of central nervous system degenerative diseases such as dementia, the function of the central nervous system to generate motor commands is deteriorated, making it difficult to generate normal motor commands. These results can be measured as variability. At this time, the motor command is a motor command signal transmitted from the central nervous system (CNS) to the peripheral nervous system.

구체적으로, 건강한 사람의 Variability는 치매환자의 Variability보다 작으며, Variability는 나이가 적은 Young 그룹이 나이가 많은 Old 그룹보다 작게 나타난다Specifically, the variability of healthy people is smaller than that of dementia patients, and the variability is smaller in the young group than in the older group.

80회차의 Trial 데이터를 통해 신호 특징들을 추출할 수 있다. 여기에서, 건강한 사람의 기준을 차등할 수 있다. 80회 총 평균을 기준으로 일반적인 건강 기준을 삼고, 가장 Highest 건강인은 1회부터 80회까지 개별적으로 1보다 모두 크고 CV평균이 모두 1자리인 경우 그리고 에너지 합이 모두 크고 엔트로피에 해당하는 조건도 모두 클 때 건강도가 가장 이상적인 경우라고 할 수 있다. 총 80회 trial에서 80회 모두 만족하면 100점이라고 할 수 있고, 이를 기준으로 비례식을 사용하여 건강도 점수를 정량화 할 수 있다. 마찬가지로, 치매의 심각도를 건강한 사람의 기준과 역으로 정량화 할 수 있다.Signal features can be extracted through the trial data of 80 times. Here, it is possible to differentiate the standard of a healthy person. A general health standard is taken based on the total average of 80 times, and the healthiest person from 1 to 80 individually is all greater than 1 and the CV average is all 1 digits It can be said that health is the most ideal case when all are large. If all 80 trials are satisfied in a total of 80 trials, it can be said to be 100 points, and the health score can be quantified using a proportional formula based on this. Similarly, the severity of dementia can be quantified inversely to that of a healthy person.

건강한 사람과 치매 진단 환자, 그리고 경도인지장애(치매로 발전) 노인들의 그룹간 특징을 발견했기 때문에, SVM 및 k-NN 등의 학습 알고리즘을 적용한 결과는 매우 높은 정확도, 민감도, 특이도를 가진다.Since we found the intergroup characteristics of healthy people, dementia-diagnosed patients, and elderly people with mild cognitive impairment (developed into dementia), the results of applying learning algorithms such as SVM and k-NN have very high accuracy, sensitivity, and specificity.

여러 학습 알고리즘에서 가장 우수한 학습 알고리즘이 적용된 치매 예측 모형에 기초하여 신규 검사대상자의 치매 관련 이상여부를 판단할 수 있다. 즉, 새로운 대상자의 데이터가 입력되면, 거리(유사도)에 기초하여 치매상태 레벨의 정량적 레벨이 계산되어 치매예측결과를 출력할 수 있다.Based on the dementia prediction model to which the best learning algorithm is applied from various learning algorithms, it is possible to determine whether a new test subject has dementia-related abnormalities. That is, when data of a new subject is input, the quantitative level of the dementia state level is calculated based on the distance (similarity), and the dementia prediction result can be output.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치 및 방법은 치매 환자의 뇌영상 데이터만으로 이미지 패턴을 수행하는 기존 인공지능 학습 방법과 달리, 신호 특징들을 추출하는 작업을 학습 전에 수행한다. 치매 환자는 인지기능 저하를 보이는 경도인지장애를 필두로 뇌척수액과 혈액 그리고 영상 이미지를 검사함으로써 진단을 수행한다. 치매 특성이 인지기능 저하 기억력 감퇴라는 임상적 특성에 기반을 두나, 치매 환자의 보행 동작에서 발생하는 이상 요소를 검출하여 인공지능 기반 학습을 수행한다는 것은 알려지지 않은 새로운 기술이다. 현재 치매의 완벽한 치료법은 존재하지 않으며, 운동을 통해 치매의 경과를 늦추는 방법이 유일한 대안이다. 보행 동작을 이용하여 인공지능 학습을 기반으로 치매 특성을 조기에 탐지하여 예측할 수 있으므로, 치매에 따른 사회적 손실 및 경제적 비용을 줄일 수 있다.This artificial intelligence learning-based dementia prediction apparatus and method using walking motion according to an embodiment of the present invention, unlike the existing artificial intelligence learning method that performs image patterns only with brain image data of dementia patients, extracting signal features Do it before learning. Dementia patients are diagnosed by examining cerebrospinal fluid, blood, and imaging images, starting with mild cognitive impairment showing cognitive decline. Although the characteristics of dementia are based on the clinical characteristics of cognitive decline and memory loss, it is an unknown new technology that detects abnormal elements occurring in the walking motion of dementia patients and performs AI-based learning. Currently, there is no perfect treatment for dementia, and the only alternative is to slow the progression of dementia through exercise. Since dementia characteristics can be detected and predicted at an early stage based on artificial intelligence learning using gait motion, social losses and economic costs associated with dementia can be reduced.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치 및 방법은 소프트웨어 및 하드웨어에 의해 하나의 모듈로 구현 가능하며, 전술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 롬(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크 등의 자기적 매체, CD, DVD 등의 광학적 매체 및 인터넷을 통한 전송과 같은 캐리어 웨이브와 같은 형태로 구현된다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네크워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.On the other hand, the apparatus and method for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion according to an embodiment of the present invention can be implemented as one module by software and hardware, and the above-described embodiments of the present invention can be executed on a computer. It can be embodied in a general-purpose computer that operates the program using a computer-readable recording medium that can be written as a program. The computer-readable recording medium is implemented in the form of a magnetic medium such as a ROM, a floppy disk, a hard disk, an optical medium such as a CD or DVD, and a carrier wave such as transmission through the Internet. In addition, the computer-readable recording medium is distributed in a computer system connected to a network so that the computer-readable code can be stored and executed in a distributed manner.

그리고, 본 발명의 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 '~부'/'~모듈'은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부'/'~모듈'은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.In addition, a component or '~ part'/'~ module' used in an embodiment of the present invention is a task, class, subroutine, process, object, execution thread, or software such as a program performed in a predetermined area on a memory. ), may be implemented in hardware such as a field-programmable gate array (FPGA) or an application-specific integrated circuit (ASIC), or a combination of the software and hardware. The component or '~ part'/'~ module' may be included in a computer-readable storage medium, or a part thereof may be distributed and distributed among a plurality of computers.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can realize that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10: 보건의료 데이터베이스
20: 검사기관 서버
100: 치매 예측 장치
110: 데이터 전처리부 120: 특징 추출부
130: 학습부 140: 교차검증부
150: 치매 예측부
10: Healthcare database
20: inspection agency server
100: dementia prediction device
110: data preprocessor 120: feature extraction unit
130: learning unit 140: cross-validation unit
150: dementia prediction unit

Claims (8)

보행 동작에 따라 좌우 양발로부터 각각 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 일정한 크기의 데이터로 전처리하는 데이터 전처리부;
상기 전처리된 가속도 데이터 및 상기 전처리된 각가속도 데이터 각각의 평균, 표준편차, 에너지, 엔트로피, 제1 상호상관계수 및 제2 상호상관계수를 포함하는 신호 특징들(features)을 추출하고, 상기 평균, 상기 표준편차, 상기 에너지, 상기 엔트로피, 상기 제1 상호상관계수 및 상기 제2 상호상관계수 각각의 서브 신호 특징들을 연산하는 특징 추출부;
상기 추출된 신호 특징들을 학습하여 치매를 예측하는 복수의 학습 모델을 생성하는 학습부;
상기 복수의 학습 모델을 평가하여 교차검증하는 교차검증부; 및
상기 교차검증을 통해 상기 복수의 학습 모델 중 최적의 학습 모델을 선택하고, 상기 최적의 학습 모델을 이용하여 치매를 예측하는 치매 예측부를 포함하고,
상기 제1 상호상관계수는 상기 전처리된 가속도 데이터를 2개씩 짝지어 상관 관계를 계산하여 3개의 신호 특징이 추출되고, 상기 전처리된 각가속도 데이터를 2개씩 짝지어 상관 관계를 계산하여 3개의 신호 특징이 추출되며, 좌우 양 발을 합쳐 12개의 신호 특징이 추출되고,
상기 제2 상호상관계수는 상기 전처리된 가속도 데이터를 각각 X축, Y축, Z축을 기준으로 하여 왼발 및 오른발의 상관 관계를 계산하여 9개의 신호 특징이 추출되고, 상기 전처리된 각가속도 데이터를 각각 X축, Y축, Z축을 기준으로 하여 왼발 및 오른발의 상관 관계를 계산하여 9개의 신호 특징이 추출되며, 좌우 양 발을 합쳐 18개의 신호 특징이 추출되는, 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치.
a data preprocessor for preprocessing time-series acceleration data and time-series angular acceleration data respectively obtained from the left and right feet according to the gait motion into data of a predetermined size;
Extracting signal features including the average, standard deviation, energy, entropy, first cross-correlation coefficient and second cross-correlation coefficient of each of the pre-processed acceleration data and the pre-processed angular acceleration data, the average, the a feature extracting unit for calculating sub-signal features of standard deviation, the energy, the entropy, the first cross-correlation coefficient, and the second cross-correlation coefficient;
a learning unit for generating a plurality of learning models for predicting dementia by learning the extracted signal features;
a cross-validation unit that evaluates and cross-validates the plurality of learning models; and
and a dementia prediction unit that selects an optimal learning model from among the plurality of learning models through the cross-validation and predicts dementia using the optimal learning model,
As for the first cross-correlation coefficient, three signal features are extracted by pairing the preprocessed acceleration data two by two to calculate the correlation, and two signal features are paired by pairing the preprocessed angular acceleration data two by two to calculate the correlation 12 signal features are extracted by combining the left and right feet,
In the second cross-correlation coefficient, nine signal features are extracted by calculating the correlation of the left foot and the right foot based on the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the preprocessed acceleration data, respectively, and the preprocessed angular acceleration data is X Dementia prediction based on artificial intelligence learning using gait motion, in which 9 signal features are extracted by calculating the correlation of the left and right feet based on the axis, Y-axis, and Z-axis, and 18 signal features are extracted by combining the left and right feet Device.
제 1항에 있어서,
상기 데이터 전처리부는,
보행자의 좌우 양발에 각각 부착된 3차원 가속도 센서 및 3차원 각가속도 센서로부터 상기 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 획득하여 전처리하는, 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치.
The method of claim 1,
The data preprocessor,
A device for predicting dementia based on artificial intelligence learning using walking motion, which preprocesses the time series acceleration data and time series angular acceleration data from the 3D acceleration sensor and the 3D angular acceleration sensor respectively attached to the left and right feet of a pedestrian.
제 1항에 있어서,
상기 데이터 전처리부는,
상기 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터를 크기가 동일하도록 분할하고, 분할된 데이터를 일정한 크기로 오버래핑하여 정규화하는, 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치.
The method of claim 1,
The data preprocessor,
An apparatus for predicting dementia based on artificial intelligence using a walking motion, which divides the time series acceleration data and the time series angular acceleration data to have the same size, and normalizes the divided data by overlapping the divided data with a constant size.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 학습부는,
k-NN, SVM, Random Forest, Extra Tree, XGBoost 알고리즘 중 적어도 하나의 알고리즘을 사용하여 상기 신호 특징들을 학습하는, 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치.
The method of claim 1,
The learning unit,
An artificial intelligence learning-based dementia prediction device using gait motion, which learns the signal features using at least one of k-NN, SVM, Random Forest, Extra Tree, and XGBoost algorithms.
제 1항에 있어서,
상기 교차검증부는,
학습 데이터 세트 변화 교차검증 방식, K-fold 교차검증 방식 및 Leave-P-Out 교차검증 방식을 이용하여 교차검증하는, 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치.
The method of claim 1,
The cross-validation unit,
Dementia prediction device based on artificial intelligence learning using gait motion, which cross-validates using the learning data set change cross-validation method, the K-fold cross-validation method, and the Leave-P-Out cross-validation method.
제 1항에 있어서,
상기 치매 예측부는,
검사자로부터 획득된 시계열 가속도 데이터 및 시계열 각가속도 데이터로부터 추출한 신호 특징들을 상기 최적의 학습 모델에 적용하여 치매를 예측하는, 보행 동작을 이용한 인공지능 학습 기반 치매 예측 장치.
The method of claim 1,
The dementia prediction unit,
An artificial intelligence learning-based dementia prediction device using gait motion, which predicts dementia by applying the time series acceleration data obtained from the examiner and signal features extracted from the time series angular acceleration data to the optimal learning model.
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