IMU-based measurement and classification system of tremors in Parkinson?s disease

Abstract

A doença de Parkinson (DP) é uma doença neurodegenerativa e progressiva de início insidioso, caracterizada pela presença de sintomas motores. Os sintomas motores estão relacionados a tremores, lentidão dos movimentos, instabilidade postural e rigidez do corpo. Os sintomas da DP tendem a agravar com o tempo, o que torna necessário avaliar e monitorar essas mudanças. Consequentemente, é crucial acompanhar a progressão da doença e alterar o curso do tratamento, se necessário. Uma vez que os tremores nas mãos dos portadores da DP possuem características específicas, como amplitude alta e moderada e uma frequência de tremor que varia entre 4-6 Hz, elas podem ser avaliadas por meio de uma classificação quantitativa. A análise da amplitude e frequência das características dos tremores das mãos fornece informações precisas sobre a severidade do tremor. O objetivo desta pesquisa é desenvolver um sistema composto por um dispositivo e análise de dados que possa medir e quantificar os tremores das mãos dos portadores da DP por meio de uma medição inercial em um dispositivo vestível, correlacionando os dados inerciais com a pontuação da Movement Disorder Society - Unified Parkinson's Disease Rating Scale (MDS-UPDRS). Este trabalho descreve o desenvolvimento de um hardware vestível e portátil, não invasivo, pequeno e confortável posicionado no pulso que, combinado com a análise de dados, fornece um sistema quantitativo e confiável para avaliar a severidade do tremor das mãos dos portadores da DP. O hardware captura os movimentos cinemáticos e posturais das mãos durante as tarefas de dedo-nariz, bater dos dedos (pinça) e tremor postural, definidas de acordo com a MDS-UPDRS. A motivação para esta pesquisa reside no fato de que a quantificação contínua e precisa das características clínicas constitui uma importante avaliação da eficácia do tratamento. Um estudo de prova de conceito do sistema foi realizado. Um grupo de indivíduos foi selecionado na Associação Paranaense dos Portadores de Parkinsonismo - APPP, Curitiba-PR. Participaram do estudo 15 indivíduos, sendo 12 homens (67,4 ± 13,4 anos) e 3 mulheres (74,3 ± 12,7 anos). Os resultados mostraram que o sensor inercial combinado com técnicas de análise de sinal pode quantificar e correlacionar a severidade dos tremores nas mãos dos portadores da DP com a escala MDSUPDRS. Os resultados de cada tarefa realizada mostraram que há uma correlação com o pico da amplitude e a severidade do tremor, portanto, o sistema desenvolvido pode ser utilizado, a princípio, como uma ferramenta quantitativa para auxiliar na avaliação da severidade da DP, fazendo com que o diagnóstico dos sintomas da doença seja mais preciso e menos subjetivo.

Abstract: Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder of onset insidious characterized by the presence of motor symptoms. The motor symptoms are related to tremors, slowness of the movements, postural instability, and rigidity of the body. The PD?s symptoms tend to worsen over time, which makes it necessary to evaluate and monitor these changes. Consequently, it is crucial to keep track of the progression of the disease and change the course of treatment if necessary. Once PD hand tremors have specific characteristics such as high and moderate amplitude and a tremor frequency that ranges between 4-6 Hz, it can be evaluated employing a quantitative assessment. The analysis of amplitude and frequency of the hand tremor characteristics provides precise information about the tremor severity that is not subjective. The objective of this research is to develop a system composed of a device and data analysis that can measure and quantify the PD?s hands tremors using an inertial measurement wearable device by correlating the inertial data with the score of the Movement Disorder Society - Unified Parkinson's Disease Rating Scale (MDS-UPDRS). This work describes the development of a portable, non-invasive, small, comfortable wrist-worn wearable hardware that, combined with data analysis, provides a quantitative and reliable system to evaluate hand?s tremor severity in PD. The hardware captures the kinematic and postural movements of the hands during the Finger-to-Nose, Tapping Tremor, and Postural Tremor tasks defined according to the MDS-UPDRS. The motivation for this research relays in the fact that the continuous and accurate quantification of clinical features constitutes an important assessment of treatment efficacy. A proof-of-principle study of the system was performed and a study was carried out. The subjects group was selected from the Parkinson's Disease Association, Curitiba-PR. Fifteen subjects, being 12 males (67.4±13.4 years-old) and 3 females (74.3±12.7 years-old) took part in the study. The results showed that the inertial sensor combined with signal analysis techniques can quantify and correlate the severity of PD hands tremors with MDS-UPDRS score. The results of each performed task showed that there is a correlation with the peak amplitude and the tremor severity, therefore, the developed system can be used, in principle, as a quantitative tool to help assessing the severity of PD, making the diagnosis of the disease's symptoms more precise and less subjective.