Quantification of upper limb parkinsonian tremor using ubiquitous devices
Authors: Κωστίκης Νικόλαος 
Published: August 2021

Η διδακτορική διατριβή μελετάει τη χρήση καθημερινών, εύχρηστων ψηφιακών συσκευών για την ποσοτικοποίηση κινητικών συμπτωμάτων της ασθένειας του Πάρκινσον, όπως αυτά εκδηλώνονται στα άνω άκρα. Τα αίτια εμφάνισης της ασθένειας δεν είναι γνωστά και θεωρείται ότι όταν τα συμπτώματα διακρίνονται, η εκφύλιση των νευρώνων έχει ήδη προχωρήσει. Για το λόγο αυτό η επιστημονική κοινότητα εργάζεται για τη διάγνωση της νόσου όσο το δυνατόν νωρίτερα. Τα συμπτώματα της νόσου του Πάρκινσον είναι κινητικά και μη κινητικά, με τα πιο συνηθισμένα τον τρόμο, τη βραδυκινησία, τη δυσκαμψία, τις διαταραχές βάδισης και ύπνου, την ορθοστατική υπόταση, τις διαταραχές στην ομιλία, ενώ σε προχωρημένα στάδια επέρχεται και γνωστική έκπτωση. Θεραπεία για τη νόσο δεν υπάρχει και τα φάρμακα που χρησιμοποιούνται στόχο έχουν τη διαχείριση των συμπτωμάτων και τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ασθενών. Δυστυχώς η μακροχρόνια χρήση Λεβοντόπας, της πιο αποτελεσματικής αγωγής για τη νόσο, δημιουργεί παρενέργειες, οι οποίες μεταφράζονται ως δυσκινησίες, ενώ μειώνεται και το παράθυρο δράσης της ουσίας, προκαλώντας απροσδόκητες διακυμάνσεις στην απόδοση της θεραπείας, δυσχεραίνοντας τον προγραμματισμό των δόσεων. Η εξέταση για τη διάγνωση και παρακολούθηση της ασθένειας γίνεται κατά κύριο λόγο μέσω περιοδικών επισκέψεων σε ειδικό νευρολόγο, όπου ακολουθείται ένα πρωτόκολλο συνέντευξης και φυσικής εξέτασης του ασθενούς, με τον γιατρό να αποφασίζει για την ένταση των συμπτωμάτων τη στιγμή της εξέτασης και για τη γενικότερη κατάσταση του ασθενούς μέσα από τις μαρτυρίες του ίδιου ή του φροντιστή του. Η ποικιλότητα των συμπτωμάτων, η εμφάνισή τους με διαφορετική ένταση μέσα στην ημέρα και η αδυναμία των ίδιων των ασθενών να είναι ακριβείς στις μαρτυρίες τους, δημιουργούν την ανάγκη για εργαλεία αντικειμενικής εκτίμησης της κατάστασης των ασθενών και παρακολούθησής τους σε ένα εκτεταμένο χρονικό πλαίσιο και όχι μόνο σποραδικά, ανάλογα με τη διαθεσιμότητα έμπειρου ιατρικού προσωπικού. Η διατριβή σύστησε δυο εργαλεία ποσοτικοποίησης, τα οποία υλοποιήθηκαν με καταναλωτικές συσκευές, με τις οποίες ήταν ήδη εξοικειωμένοι οι χρήστες, ένα έξυπνο κινητό τύπου iPhone και μια ψηφιακή ταμπλέτα. Το εργαλείο που είναι βασισμένο στο έξυπνο κινητό, χρησιμοποιεί μια web εφαρμογή η οποία επιτρέπει τη συλλογή δεδομένων επιτάχυνσης και γωνιακής ταχύτητας από το επιταχυνσιόμετρο και το γυροσκόπιο που είναι ενσωματωμένα στο κινητό. Η επαλήθευση της λειτουργικότητας του εργαλείου έγινε μέσω δυο κλινικών μελετών, κατά τις οποίες παρκινσονικοί ασθενείς αλλά και υγιείς εθελοντές χρησιμοποίησαν το εργαλείο. Στα δεδομένα που συλλέχθηκαν έγινε μεταχρονολογημένα στατιστική επεξεργασία και υπολογίστηκαν μετρικές οι οποίες και μέσω μοντέλων μηχανικής μάθησης, αποδείχθηκε ότι μπορούν να διακρίνουν με ακρίβεια από ποια κατηγορία εθελοντών προήλθε το κάθε σήμα. Το εργαλείο που είναι βασισμένο στην ταμπλέτα, δημιουργήθηκε για να εξερευνήσει κατά πόσο μικρογραφία και δυσγραφία από την οποία πάσχουν οι παρκινσονικοί ασθενείς θα μπορούσε να επηρεάσει την απόδοσή τους στη σχεδίαση απλών ευθείων γραμμών. Το εργαλείο χρησιμοποιήθηκε σε μια κλινική μελέτη που είχε ως κύριο αναμενόμενο αποτέλεσμα την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητάς του. Από τις ψηφιοποιημένες τροχιές που σχεδίασαν παρκινσονικοί ασθενείς αλλά και υγιείς εθελοντές υπολογίστηκαν μετρικές οι οποίες μετά από στατιστική ανάλυση αποδείχθηκαν ικανές να διακρίνουν τους ασθενείς από τους υγιείς συμμετέχοντες. Οι μετρικές χρησιμοποιήθηκαν και ως χαρακτηριστικά σε μοντέλα μηχανικής μάθησης, μέσω των οποίων αποδείχθηκε ότι το εργαλείο ήταν ικανό να χρησιμοποιηθεί σε κλινικό περιβάλλον για την αναγνώριση τροχιών σχεδιασμένων από ασθενείς με νόσο Πάρκινσον. Και για τις δυο υλοποιήσεις αναπτύχθηκε πρωτόκολλο κλινικής επαλήθευσής τους και ολοκληρώθηκαν τρεις μελέτες επιστρατεύοντας συνολικά 122 εθελοντές, 57 εκ των οποίων ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον. Από τα σήματα επιτάχυνσης και γωνιακής ταχύτητας, και μετατόπισης στην ταμπλέτα που συλλέχθηκαν κατά τις κλινικές μελέτες, υπολογίστηκαν μετρικές οι οποίες αποδείχθηκε στατιστικά ότι ήταν ικανές να αποτελέσουν διακριτικά χαρακτηριστικά, άμεσα συσχετιζόμενα με τις κινητικές διαταραχές που επιφέρει η ασθένεια του Πάρκινσον. Η διακριτική ικανότητα των μετρικών αποδείχθηκε και μέσω ανάλυσης με μοντέλα μηχανικής μάθησης, τα οποία εκπαιδεύτηκαν, και σε δοκιμαστικά σετ δεδομένων πέτυχαν υψηλά ποσοστά ορθής κατηγοριοποίησης.