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河北工大胡寧、趙麗濱和王子瑩團(tuán)隊(duì)《Nano Energy》:水凝膠傳感器助力步態(tài)分析 - 輔助診斷帕金森病與偏癱
2022-12-20  來(lái)源:高分子科技

  近年來(lái),新興的指紋、人臉等生物識(shí)別技術(shù)容易被掩蓋和模仿,并且需要接觸識(shí)別,增加了識(shí)別難度。步態(tài)特征不僅依賴于先天因素,還與后天的生活環(huán)境密切相關(guān),難以改變或偽裝。盡管在大霧、沙塵暴等復(fù)雜環(huán)境中,通過(guò)提取人體運(yùn)動(dòng)輪廓,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸的識(shí)別。步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)在身份識(shí)別,體育鍛煉和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。特別地,步態(tài)分析可為診斷多種潛在疾病提供有用線索,實(shí)現(xiàn)早期診斷并指導(dǎo)患者康復(fù)治療(如:偏癱和帕金森氏病)。因此,迫切需要開(kāi)發(fā)可移植的人機(jī)相交互系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)和識(shí)別這些癥狀。


  目前,有兩種主要的步態(tài)識(shí)別方法:基于穿戴式傳感器的步態(tài)識(shí)別和基于機(jī)器視覺(jué)的步態(tài)識(shí)別。基于機(jī)器視覺(jué)的步態(tài)識(shí)別方法對(duì)數(shù)據(jù)收集的環(huán)境有更高的要求,還需要進(jìn)行繁瑣的操作,如:圖像收集,處理和保存。然而,使用穿戴式傳感器進(jìn)行步態(tài)監(jiān)測(cè)和識(shí)別是一種簡(jiǎn)單有效的方法,不受外部環(huán)境因素的限制。再結(jié)合不同的深度學(xué)習(xí)算法,提取生理參數(shù)的特征來(lái)進(jìn)行步態(tài)識(shí)別和預(yù)測(cè)。



  近日,河北工業(yè)大學(xué)胡寧、趙麗濱和王子研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于氧化石墨烯-聚丙烯酰胺(GO-PAM復(fù)合水凝膠的自供電式應(yīng)變傳感器(圖1。該傳感器可用作摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)來(lái)收集人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能。基于0.02 wtGO-PAM水凝膠的TENG輸出功率高達(dá)26 mW,是純態(tài)PAM水凝膠輸出功率2.2,可點(diǎn)亮353個(gè)發(fā)光二極管(LED)為電子溫度計(jì)供電。此外,設(shè)計(jì)了可穿戴智能鞋墊,其中包括柔性鞋墊,數(shù)據(jù)處理模塊和使用Python開(kāi)發(fā)的PC接口。在三種不同深度學(xué)習(xí)算法模型中,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN)算法分別對(duì)正常人生活步態(tài)和病理步態(tài)的識(shí)別精度高達(dá)99.5%98.2%。該系統(tǒng)可應(yīng)用于早期診斷,康復(fù)評(píng)估和患者治療,為人體步態(tài)監(jiān)測(cè)和識(shí)別提供了更方便的選擇。相關(guān)工作以“A flexible, stretchable and triboelectric smart sensor based on graphene oxide and polyacrylamide hydrogel for high precision gait recognition in Parkinsonian and hemiplegic patients”發(fā)表在《Nano Energy》上。 


1智能GO-PAM水凝膠應(yīng)變傳感器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)步態(tài)的高精確識(shí)別


  GO-PAM復(fù)合水凝膠設(shè)計(jì)為三明治夾層結(jié)構(gòu),由銀納米線作為上電極,可拉伸的GO-PAM水凝膠膜作為摩擦電層,銅作為下電極(圖2)。該團(tuán)隊(duì)首先研究了GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GO-PAM水凝膠膜電輸出性能的影響。與純PAM相比,GO-PAM復(fù)合水凝膠膜的輸出電壓,輸出電流和輸出功率均增加。采用0.02 wt% GO-PAM水凝膠制備的TENG輸出電壓和電流最高(分別為990 V63.84 μA),輸出功率可達(dá)26 mW,是純PAM水凝膠膜的2.2 


2. 基于GO-PAM的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的示意圖與輸出的電學(xué)性能


  研究組研究了0.02 wt% GO-PAM水凝膠的可拉伸和壓縮性能。0.02 wt% GO-PAM水凝膠在小拉伸應(yīng)變范圍(10-60%)和較大的拉伸應(yīng)變范圍(80-300%)表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性(圖3)。此外,還GF(GF =(?R/R0)/strain)來(lái)評(píng)價(jià)應(yīng)變敏感性能。當(dāng)應(yīng)變范圍為0~60%時(shí),GF2.13;當(dāng)應(yīng)變范圍為60~200%時(shí),GF2.13增加到4.89。隨著應(yīng)變范圍從200%增加到300%GF達(dá)到7.97。當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?/span>20%時(shí),應(yīng)變響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為0.5 s0.6 s該傳感器粘貼在人體不同關(guān)節(jié)處,如前額、手指、肘部、手腕等,不僅可以檢測(cè)產(chǎn)生的電阻信號(hào),還可識(shí)別手指和肘關(guān)節(jié)的彎曲程度。


3. GO-PAM柔性應(yīng)變傳感器的應(yīng)變性能


  近年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能(AI研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析和模式識(shí)別。將AI引入穿戴式傳感器可以提高模式識(shí)別的準(zhǔn)確性,并開(kāi)發(fā)具有高精度和實(shí)時(shí)處理的智能可穿戴電子系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一款智能鞋墊,采集4個(gè)應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào),并將其經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,由單片機(jī)傳輸?shù)?/span>PC機(jī)上(圖4對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)濾波和去噪,保留原始信號(hào)的有用特征。最后,構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、決策樹(shù)模型和隨機(jī)森林模型對(duì)步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確識(shí)別和分析,用于人體日常行為步態(tài)識(shí)別和人體病理步態(tài)識(shí)別。



4. 步態(tài)識(shí)別模型對(duì)人體步態(tài)識(shí)別的過(guò)程,實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)五種不同人體日常行為步態(tài)的電壓信號(hào),三個(gè)模型的原理示意圖和步態(tài)識(shí)別混淆矩陣以及三種算法對(duì)人體日常行為步態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性。


  基于步態(tài)識(shí)別模型,將機(jī)器學(xué)習(xí)方法擴(kuò)展到特殊疾病的步態(tài)識(shí)別。該研究的三個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功地用于帕金森病,左偏癱和右側(cè)偏癱步態(tài)的識(shí)別(圖5)。總體識(shí)別精度均達(dá)到90%以上。經(jīng)過(guò)500次對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練,測(cè)試集的識(shí)別精度達(dá)到98.2%。此外,通過(guò)建立步態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示了患者的步態(tài)波形。當(dāng)患者進(jìn)行步行訓(xùn)練時(shí),可以將患者的活動(dòng)信息數(shù)字化存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上,例如步數(shù),步行速度等(Video)。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù),可以及時(shí)調(diào)整患者的訓(xùn)練量和康復(fù)狀況。該研究表明,引入機(jī)器學(xué)習(xí)輔助方法可以準(zhǔn)確診斷疾病,提高康復(fù)訓(xùn)練的效率,并提供遠(yuǎn)程康復(fù)的治療指導(dǎo)。 


5. 實(shí)時(shí)采集帕金森病、左偏癱和右偏癱患者步態(tài)的電壓信號(hào),三種深度學(xué)習(xí)算法對(duì)人體病理步態(tài)識(shí)別的精度比較


  結(jié)論:在此項(xiàng)研究中,研究者開(kāi)發(fā)了具有高可拉伸、可壓縮、高粘附性和自我修復(fù)性的水凝膠。該水凝膠可以將其延伸至860%,具有良好的穩(wěn)定性和耐用性,可以至少循環(huán)利用380次。對(duì)各種材料具有較高的粘附性能,包括塑料,紙,金屬,皮膚,木材和玻璃。另外,研究了基于水凝膠TENG的輸出電性能,可以點(diǎn)亮353盞 LED燈并為電子溫度計(jì)供電。設(shè)計(jì)了一智能鞋墊,并基于三種算法構(gòu)建了步態(tài)識(shí)別模型,該算法可用于正常和異常的步態(tài)識(shí)別。在這三個(gè)模型中,對(duì)正常步態(tài)和異常步態(tài)的ANN算法的識(shí)別精度分別達(dá)到99.5%98.2%


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522010564

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