The use of machine learning and deep learning techniques to assess proprioceptive impairments of the upper limb after stroke
Notice bibliographique
Résumé
BACKGROUND: Robots can generate rich kinematic datasets that have the potential to provide far more insight into impairments than standard clinical ordinal scales. Determining how to define the presence or absence of impairment in individuals using kinematic data, however, can be challenging. Machine learning techniques offer a potential solution to this problem. In the present manuscript we examine proprioception in stroke survivors using a robotic arm position matching task. Proprioception is impaired in 50-60% of stroke survivors and has been associated with poorer motor recovery and longer lengths of hospital stay. We present a simple cut-off score technique for individual kinematic parameters and an overall task score to determine impairment. We then compare the ability of different machine learning (ML) techniques and the above-mentioned task score to correctly classify individuals with or without stroke based on kinematic data. METHODS: Participants performed an Arm Position Matching (APM) task in an exoskeleton robot. The task produced 12 kinematic parameters that quantify multiple attributes of position sense. We first quantified impairment in individual parameters and an overall task score by determining if participants with stroke fell outside of the 95% cut-off score of control (normative) values. Then, we applied five machine learning algorithms (i.e., Logistic Regression, Decision Tree, Random Forest, Random Forest with Hyperparameters Tuning, and Support Vector Machine), and a deep learning algorithm (i.e., Deep Neural Network) to classify individual participants as to whether or not they had a stroke based only on kinematic parameters using a tenfold cross-validation approach. RESULTS: We recruited 429 participants with neuroimaging-confirmed stroke (< 35 days post-stroke) and 465 healthy controls. Depending on the APM parameter, we observed that 10.9-48.4% of stroke participants were impaired, while 44% were impaired based on their overall task score. The mean performance metrics of machine learning and deep learning models were: accuracy 82.4%, precision 85.6%, recall 76.5%, and F1 score 80.6%. All machine learning and deep learning models displayed similar classification accuracy; however, the Random Forest model had the highest numerical accuracy (83%). Our models showed higher sensitivity and specificity (AUC = 0.89) in classifying individual participants than the overall task score (AUC = 0.85) based on their performance in the APM task. We also found that variability was the most important feature in classifying performance in the APM task. CONCLUSION: Our ML models displayed similar classification performance. ML models were able to integrate more kinematic information and relationships between variables into decision making and displayed better classification performance than the overall task score. ML may help to provide insight into individual kinematic features that have previously been overlooked with respect to clinical importance.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,006 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».