A Data-driven Exploration and Prediction of Deep Brain Stimulation Effects on Gait in Parkinson's Disease

脑深部刺激 帕金森病 丘脑底核 步态 物理医学与康复 步态分析 轮廓 支持向量机 人工智能 心理学 计算机科学 医学 机器学习 疾病 内科学
作者
Gianluca Amprimo,Zhongke Mei,Claudia Ferraris,Gabriella Olmo,Deepak K. Ravi
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-13
标识
DOI:10.1109/jbhi.2024.3446548
摘要

Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus (STN-DBS) is an established treatment for motor impairment due to Parkinson's disease (PD) progression. While treated subjects mostly experience significant amelioration of symptoms, some still report adverse effects. In particular, changes in gait patterns due to the electrical stimulation have shown mixed results across studies, with overall gait velocity improvement described as the core positive outcome. This retrospective study investigates changes in the gait parameters of 50 PD patients before and 6 months after STN-DBS, by exploiting a purely data-driven approach. First, unsupervised learning identifies clusters of subjects with similar variations in the gait parameters after STN-DBS. This analysis highlights two dominant clusters (Silhouette score: 0.45, Dunn index: 0.18), with one of them associated to a worsening in walking. Then, supervised machine learning models (i.e., Support Vector Machine and Ensemble Boosting models) are trained using pre-surgery gait parameters, clinical scores, and demographic information to predict the two gait change clusters. In a Leave-One-Subject-Out validation, the best model achieves balanced accuracy 80.05 ± 3.52 %, denoting moderate predictability of both clusters. Moreover, feature importance analysis reveals the variability in the step width and in the step length asymmetry during the preoperative gait test as promising biomarkers to predict gait response to STN-DBS.
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