Statistische Modellierung, prototypische Implementierung und Evaluierung eines Systems zur Sturzrisikoprognose für Senioren

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Die in der Arbeit referenzierten Anlagen liegen auf einem Datenträger im Archiv der Technischen Fakultät.

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-12-18
Issue Year
2014
Authors
Bienk, Stefan
Editor
Abstract

Based on extensive related work, in this thesis an alternative approach to fall-risk monitoring of elderly persons is developed. Software components are provided which automatically establish personal middle-term risk prognostics, using as input only data recorded in patients' everyday life employing one single accelerometer on board of a common wristwatch (originally featuring only an emergency call function). Along with numerous pragmatic achievements compared to existing assessment tools, this entails a higher complexity of the prediction task: Data acquisition takes place in a naturalistic (i.e. uncontrolled) setting and the measurement is of indirect nature, as no sensors are attached to the patients' lower extremities. These challenges are addressed by a multiple-stage procedure: After a supervised training to be performed one time for each patient in order to personalize the system, an already established fall-risk indicator, the so called gait variability, can be periodically reconstructed by the system. Firstly, time intervals during which monitored persons were walking are determined from the permanently recorded motion data. Secondly, for these intervals, gait events are reconstructed and gait variability is calculated, serving as input for the final computation of fall-risk.

On the modelling level, methods from activity classification and the theory of wavelets are utilized. While the latter is simply applied, as a major contribution a theoretical analysis and improvement of heuristic methods for activity classification is provided. This includes rather technical measurability issues as well as the analysis of statistical notions of quality of the inferential methods. By introducing an abstract concept called prediction problem, pure reproduction of analogous notions and results from established classification theory is avoided.

The thesis is completed by a brief sketch of the technical implementation of these ideas and a first evaluation.

Abstract

Vor dem Hintergrund intensiver einschlägiger Forschungsarbeiten wird in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz zum Sturzrisikomonitoring für Senioren entwickelt. Dabei werden persönliche mittelfristige Sturzrisikoprognosen anhand permanent im Alltag der Patienten erhobener Daten eines einzigen, in eine herkömmliche Hausalarmuhr integrierten Akzelerometers automatisch mittels Software erstellt. Mit den damit einhergehenden pragmatischen Vorteilen gegenüber etablierten Ansätzen ist jedoch ein erhöhter Schwierigkeitsgrad des Prognoseproblems verbunden: Einerseits erfolgt die Erhebung unter naturalistischen (d.h. unkontrollierten) Bedingungen, andererseits wird eine indirekte Messung vorgenommen, d.h. insbesondere ohne Sensorik an den unteren Extremitäten. Diese Herausforderungen werden durch ein mehrstufiges Verfahren adressiert: Dieses berechnet (nach einer für jeden Patienten einmalig durchzuführenden supervisionierten Trainingsphase) regelmäßig einen bereits validierten Sturzrisikoindikator, die sog. Gangvariabilität. Zunächst werden hierzu anhand der Beschleunigungsdaten Zeitintervalle ermittelt, während derer eine Person Gangstrecken absolvierte. Für diese Intervalle werden dann die Schrittzeitpunkte rekonstruiert und hieraus die Gangvariabilität als Eingangsgröße für die Sturzprognose berechnet.

Hierbei kommen Methoden der Aktivitätsklassifizierung und der Wavelet-Theorie zum Einsatz. Während die letztere lediglich zur Anwendung gebracht wird, besteht ein Schwerpunkt der Arbeit in der theoretischen Analyse und Weiterentwicklung der etablierten heuristischen Methoden zur Aktivitätsklassifizierung. Dies umfasst insbesondere die Untersuchung von technischen Fragen der Messbarkeit wie auch die Untersuchung der statistischen Güte der Inferenzmethoden. Durch die Einführung des abstrakten Konzepts des Prädiktionsproblems mit allgemeinen separablen metrischen Zielräumen wird dabei die bloße Übertragung analoger Begriffe und Resultate aus der etablierten Klassifikationstheorie vermieden.

Die Beschreibung der technischen Umsetzung dieser Ideen sowie eine erste Evaluierung bilden schließlich den Abschluss der Arbeit.

DOI
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