Publication:
A machine learning based approach for quantifying muscle spasticity level in neurological disorder patients

cris.virtual.department#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtual.orcid#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#
cris.virtualsource.department81a83a53-7057-420d-b5d2-e133f0b5f72c
cris.virtualsource.orcid81a83a53-7057-420d-b5d2-e133f0b5f72c
dc.contributor.authorMuhamad Aliff Imran Daud
dc.contributor.supervisorAsmarani Ahmad Puzi
dc.contributor.supervisorShahrul Na’im Sidek
dc.contributor.supervisorAhmad Anwar Zainuddin
dc.contributor.supervisorSalmah Anim Abu Hassan
dc.date.accessioned2025-07-29T02:38:39Z
dc.date.available2025-07-29T02:38:39Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractMuscle spasticity is a condition that occurs in patients with neurological disorders when their muscles are stiff, tight, and resistant to stretching. The current assessment method, relying on the subjective judgment of therapists using the Modified Ashworth Scale (MAS), introduces variability that may affect the rehabilitation process. In addition, many existing computational models are not aligned with clinical standards such as MAS, limiting their practical adoption in clinical settings. They also often overlook direction-specific movement phases and fail to distinguish muscle responses across different axes and muscle groups. To address the limitations, this research aimed to develop a quantitative assessment method by muscle spasticity characteristics based on mechanomyography (MMG) signals and MAS levels, utilising machine learning techniques. A Quantitative Spasticity Assessment Technology (QSAT) platform has been developed which consists of two sensors that were tri-axial accelerometer mechanomyography (ACC-MMG) functioning in measure acceleration of biceps and triceps muscle contraction and potentiometer to measure the angular position of forearm during flexion and extension movement. A comprehensive investigation was conducted to assess muscle spasticity level by recording ACC-MMG signals from patients' forearm musculature during flexion and extension movements using QSAT platform. A total of 30 patients with neurological disorders were classified into five MAS levels (0, 1, 1+, 2, and 3), along with 10 healthy subjects serving as a baseline group. The pre-processed data comprised 48 extracted features from ACC-MMG signals along the x, y, and z axes for both flexion and extension movements of the biceps and triceps. These features corresponded to the longitudinal, lateral, and transverse muscle orientations. For both flexion and extension movements, machine learning models were trained using the selected subset of 25 significant features and the full set of 48 features respectively, with performance comparisons made to identify the most effective approach. Various machine learning models algorithms, including Linear Discriminant Analysis (LDA), Decision Tree (DT), Support Vector Machine (SVM), and K-Nearest Neighbour (KNN), were tested. The KNN-based classifier demonstrated the highest performance using a 90% training and 10% testing data split surpassing the performance of other classifiers. Specifically, at k = 15 using Euclidean distance, the KNN achieved an accuracy of 91.29% for flexion using the significant features, with corresponding precision, recall, and F1-score of 91.64%, 91.25%, and 91.47%, respectively. For extension, the same configuration resulted with 96.30% for extension using the full feature set, with precision, recall, and F1-score of 96.53%, 96.30%, and 96.33%, respectively. These results indicate high classification performance, with minimal false positives or false negatives, particularly in distinguishing between different MAS levels. This research suggests that the muscle characteristic model embedded in the QSAT can serve as a standardised and objective assessment tool for measuring the spasticity level of the affected limb using computational method, leading to support clinical evaluations and enabling more effective rehabilitation strategies.
dc.description.abstractarabicالتشنج العضلي هي حالة تحدث لدى المرضى الذين يعانون من اضطرابات عصبية عندما تكون عضلاتهم متصلبة، ومشدودة، ومقاومة للتمدد. تعتمد الطريقة الحالية لتقييم التشنج العضلي على التقييم الذاتي للمعالجين باستخدام مقياس آشورث المعدل (MAS)، مما يؤدي إلى تباين قد يؤثر على عملية إعادة التأهيل. بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من النماذج الحاسوبية الحالية لا تتماشى مع المعايير السريرية مثل مقياس MAS، مما يحد من إمكانية تبنيها في البيئات العلاجية. كما أنها غالبًا ما تغفل مراحل الحركة المرتبطة باتجاه معين، ولا تميز بين استجابات العضلات عبر المحاور والمجموعات العضلية المختلفة. لمعالجة هذا القيد، يهدف هذا البحث إلى تطوير طريقة تقييم كمية لخصائص التشنج العضلي بالاعتماد على إشارات ميكانيكية العضلات (MMG) ومستويات مقياس آشورث المعدل (MAS) باستخدام تقنيات التعلم الآلي. تم تطوير منصة "تكنولوجيا تقييم التشنج الكمي" (QSAT) التي تتكون من مستشعرين: مستشعر ميكانيكي ثلاثي المحاور (ACC-MMG) لقياس تسارع تقلص العضلات في العضلة ذات الرأسين (البايسبس) والعضلة ثلاثية الرؤوس (الترايسبس)، ومقياس الجهد لقياس الزاوية أثناء حركات الثني والبسط للساعد. تم إجراء تحقيق شامل لتقييم مستوى التشنج العضلي من خلال تسجيل إشارات ACC-MMG من عضلات ساعد المرضى أثناء حركات الثني والبسط باستخدام منصة QSAT. شملت الدراسة 30 شخصًا مريضًا يعانون من اضطرابات عصبية، تم تصنيفهم إلى خمس مستويات من مقياس آشورث المعدل (0، 1، 1+، 2، 3)، بالإضافة إلى 10 مشاركين أصحاء كمجموعة مرجعية. تضمنت البيانات المعالجة مسبقًا 48 ميزة مستخرجة من إشارات ACC-MMG على المحاور x و y و z لكل من حركات الثني والبسط للعضلة ذات الرأسين والعضلة ثلاثية الرؤوس. هذه الميزات تتوافق مع الاتجاهات الطولية والجانبية والعرضية للعضلات. تم تدريب نماذج التعلم الآلي باستخدام مجموعة مختارة من 25 ميزة مهمة ومجموعة كاملة من 48 ميزة لكلا حركتي الثني والبسط على التوالي، مع إجراء مقارنات الأداء لتحديد النهج الأكثر فعالية. تم اختبار خوارزميات مختلفة لنماذج التعلم الآلي، بما في ذلك تحليل التمييز الخطي (LDA)، وأشجار القرار (DT)، وآلة الدعم المتجهات (SVM)، وأقرب الجيران (KNN). أظهر المصنف المعتمد على خوارزمية أقرب الجيران (KNN) أعلى أداء باستخدام تقسيم البيانات بنسبة 90% للتدريب و10% للاختبار، متفوقًا على أداء المصنفات الأخرى. بشكل محدد، عند قيمة k = 15 وباستخدام المسافة الإقليدية، حقق KNN دقة بنسبة 91.29% لحركات الثني باستخدام الميزات المهمة، مع دقة إيجابية (precision) بلغت 91.64%، واسترجاع (recall) بنسبة 91.25%، ودرجة F1 بنسبة 91.47%. أما لحركات البسط، فقد حقق نفس التكوين دقة بنسبة 96.30% باستخدام المجموعة الكاملة من الميزات، مع دقة إيجابية بلغت 96.53%، واسترجاع بنسبة 96.30%، ودرجة F1 بنسبة 96.33%. تشير هذه النتائج إلى أداء تصنيفي عالٍ، مع الحد الأدنى من الإيجابيات أو السلبيات الكاذبة، خصوصًا في التمييز بين مستويات مقياس آشورث المعدل (MAS). يشير هذا البحث إلى أن نموذج خصائص العضلات المدمج في QSAT يمكن أن يعمل كأداة تقييم معيارية وموضوعية لقياس مستوى التشنج في الطرف المصاب باستخدام الأساليب الحاسوبية، مما يدعم التقييمات السريرية ويعزز استراتيجيات إعادة التأهيل بشكل أكثر فعالية
dc.description.cpsemailcps2u@iium.edu.my
dc.description.emailaliffmohd16@gmail.com
dc.description.identifierThesis : A machine learning based approach for quantifying muscle spasticity level in neurological disorder patients / by Muhamad Aliff Imran Daud
dc.description.identityG2224525Muhamadaliffimrandaud
dc.description.kulliyahKulliyyah of Information and Communication Technology (KICT)
dc.description.nationalityMALAYSIA
dc.description.notesThesis (MCST)--International Islamic University Malaysia, 2025.
dc.description.physicaldescription1 online resource (xix, 202 leaves) ; color illustrations.
dc.description.programmeMaster of Computer Science and Information Technology
dc.identifier.urihttps://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/33100
dc.language.isoen
dc.publisherKuala Lumpur : Kulliyyah of Information and Communication Technology, International Islamic University Malaysia, 2025
dc.rightsOWNED BY IIUM
dc.titleA machine learning based approach for quantifying muscle spasticity level in neurological disorder patients
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
oairecerif.author.affiliation#PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE#

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Loading...
Thumbnail Image
Name:
G2224525Muhamadaliffimrandaud_SEC.pdf
Size:
28.54 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Full text.

Collections