一种基于穿戴设备的帕金森病上肢震颤数据低功耗采集方法

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1.背景

当前用于帕金森病上肢震颤监测的穿戴设备所采集的惯性信号主要包括三种类型：一是仅使用3-Axis ACC信号；二是仅使用3-Axis GYRO信号作为测量信号；三是同时使用3-Axis ACC信号和3-Axis GYRO信号作为测量信号。

在这类使用3-Axis ACC信号或3-Axis GYRO信号进行PD监测的方法中，所需要存储和传输的数据量相对较少，适合用于穿戴设备的帕金森病上肢震颤数据低功耗采集方案。但是，其信号描述PD中震颤的信息量相对较少，也就导致了在实际的监测过程中误判和漏判震颤的概率较大。为了提升PD震颤检测的准确性，一种常用的方法是同时采集3-Axis ACC信号和3-Axis GYRO信号。同时采集六轴传感器数据对穿戴设备实现低功耗数据采集提出了挑战。因此，实现穿戴设备的低功耗的六轴传感器数据采集方案对用于帕金森病上肢震颤监测具有实际的意义。

2.技术解决问题

以穿戴设备采集3-Axis ACC信号和3-Axis GYRO信号为代表的IMU信号作为帕金森病上肢震颤监测信号具有较好的适用性，而同时采集3-Axis ACC信号和3-Axis GYRO信号作为帕金森病上肢震颤的监测信号是一种有效降低监测过程中误判和漏判震颤的概率的方法，但也对穿戴设备的数据存储和续航能力提出了更高的要求。

从硬件角度提升穿戴设备的数据存储和电池续航能力是一种有效的方法，但这是在牺牲穿戴设备的便捷性和提升价格成本的基础上实现的。因此，在穿戴设备数据存储和电池续航能力不做改变的情况下，提出一种可以提升穿戴设备存储帕金森病上肢震颤监测信号数据和工作续航时间的方法是主要目的。

鉴于帕金森病上肢震颤的突发性和非持续性，如何高效的判断存储帕金森病上肢震颤时的IMU信号存在一定困难，为此研究了一种基于穿戴设备的帕金森病上肢震颤数据低功耗采集方法。

3.技术方案

鉴于上述内容中连续采集帕金森病人穿戴设备上的六轴传感信号分析上肢震颤所需要的存储空间不足和续航时间短的问题，提供一种能够实现穿戴设备在帕金森病上肢震颤数据低功耗采集方法，旨在优化穿戴设备在硬件不做改变的情况下实现对帕金森病上肢震颤数据采集的功耗问题，同时确保数据采集的有效性。

一种基于穿戴设备的帕金森病上肢震颤数据低功耗采集方法，包含上肢震颤六轴传感信号有效性的判断方法、六轴传感信号存储方法和六轴传感信号传输方法。

上肢震颤六轴传感信号有效性的判断方法，首先判断是否穿戴设备，若否则数据丢弃，若是则判断当前数据是否有效，如果有效则存储，如果无效则丢弃。其中判断数据有效性的算法如下：

         （1）

其中thr1和thr2为经验阈值，其中x、y、z、Roll、Pitch和Yaw分别对应出门问问旗下产品TicWatch Pro3六轴传感器对应的轴向采(如图1所示)。由于帕金森病上肢震颤时六轴传感信号表现形式幅度的波动变化，因此中当式子(1)中的条件同时满足时，判断数据有效。

图1

六轴传感信号存储方法，当判断当前上肢震颤六轴传感信号有效时，则需要判断前一连续数据是否保存，若保存直接记录数据在前一数据后，若没有保存则附加当前时间戳后保存。通过连续数据的起始点时间戳T和采样率可以计算出所有数据对应的时刻。其中起始点后的第N个点对应的时刻为：

六轴传感信号传输方法，由于采集的六轴传感信号实时连接网络传输到移动端设备需要持续正常工作功耗耗电，从而导致穿戴设备的续航能力下降，通过设计当穿戴设备数据存储量到达阈值时自动连接传输和可以人工手动选择连接传输两种模式，最后将数据传输到云端进行应用分析。

通过上述方法，可以实现上肢震颤六轴传感信号在穿戴设备下低功耗并且有效完整采集，去除冗余的信息，也给后续的数据应用降低了难度和工作量。

为了达到上述目的，采用下面的技术方案予以实现：

一种基于穿戴设备的帕金森病上肢震颤数据低功耗采集方法，基于以下定义：

定义时间戳包括年月日时分秒毫秒信息。单位为秒。

如图2所示:

图2

具体包括如下步骤：

• 步骤1：判断是否穿戴设备，否则转步骤1；
• 步骤2：判断数据是否有效，否则转步骤2；
• 步骤3：判断穿戴设备是否脱落，否则转步骤1；
• 步骤4：判断前一连续数据是否保存，否则转步骤6；
• 步骤5：直接保存数据，否则转步骤1，转步骤7；
• 步骤6：同时保存当前时间戳信息和数据；
• 步骤7：判断数据是否需要传输，若否继续，若是传输数据继续。
  

4.技术关键点

本文提出的技术方法体现在：

• （1）为充分保留上肢震颤时的六轴传感信号，通过融合x、y、z、Roll、Pitch和Yaw信号幅度信息进行阈值判断，同时去除了冗余的信息，也给后续的数据应用降低了难度和减少了工作量；
• （2）通过判断当前和前一有效上肢震颤六轴传感信号是否连续，确定保存数据是否需要附加当前时间戳，而通过连续数据的起始点时间戳T和采样率可以计算出所有数据对应的时刻，保证了存储数据具有严格的时间对应信息；
• （3）通过设计当穿戴设备数据存储量到达阈值时自动连接传输和可以人工手动选择连接传输两种模式，避免了实时传输数据需要持续连接网络传输数据到移动端设备时需要持续正常工作功耗耗电，从而导致穿戴设备的续航能力下降问题。
  

5.技术效果

      以24小时佩戴为例使用TicWatch Pro3（其中采样频率为50Hz），连续采集的六轴传感器所需要的存储空间为：6×50×2×60×60×24/1024/1024≈41.2MB；

若去除正常睡眠8小时，额外未佩戴2小时，所需要的存储空间为：（6×50×2×60×60×（24-2-8）+10*2）/1024/1024≈24.0MB，这里的10*2表示附加了10次时间戳（时间戳用2个字节表示），其中降低所需的存储空间比例为40%。