利用单个安装在靴子上的加速度计对跟腱断裂患者的跟腱负荷进行连续监测

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Continuous Estimation of Achilles Tendon Loading in Rupture Patients Using a Single Boot-Mounted Accelerometer.

　　

摘要：

目的：跟腱断裂会导致长期的结构和功能缺陷。此前试图确定最佳康复方法的研究，由于无法在康复过程中持续监测跟腱所承受的负荷，存在很大局限性。我们的目标是开发一种数据驱动模型，仅通过安装在靴子上的加速度计就能预测每一步中跟腱所承受的峰值负荷。方法：19名正在从急性跟腱断裂中恢复的患者在佩戴装有传感装置的固定靴的情况下进行了实验室行走测试。安装在靴子上的惯性测量单元可提供用于预测的加速度信号，而具有力量感应功能的鞋垫则通过经过验证的踝关节力矩平衡机制提供真实的跟腱负荷数据。我们开发了一种姿态检测算法，以及一种个性化的单维卷积神经网络（1D-CNN），用于估算每一步中跟腱的峰值负荷。我们的训练框架采用了少量针对患者的个性化样本，并在独立的测试步骤上进行评估。结果：姿态检测算法的识别精度高达99.8%，脚跟着地的时间误差平均为27.3毫秒，脚趾离地的时间误差平均为61.9毫秒。1D-CNN在所有患者中估算出的每一步跟腱峰值负荷的均方绝对误差为0.14个体重单位（R2=0.68）。结论：使用安装在靴子上的单个加速度计，就可以在早期康复阶段对跟腱负荷进行连续、客观的监测。与固定靴行走过程中跟腱负荷的较大变化范围相比，模型误差较小（9%）。我们所提出的方法能让临床医生在以往无法观察到的康复期间持续监测机械负荷，为跟腱断裂后的个性化康复指导提供依据。