Desarrollo del procedimiento de detección de caídas en ancianos mediante plantillas inteligentes

La Organización Mundial de la Salud estima que cada año se producen 646.000 caídas fatales, lo que la convierte en la segunda causa de muerte por lesiones no intencionales, después de las lesiones causadas por el tráfico. La mayor cantidad de caídas fatales se produce en personas mayores de 65 años, debido a que la mayor morbilidad ocurre a partir de esta edad. Por lo tanto, la población anciana va a ser nuestro objeto de estudio.En siguiente Trabajo de Fin de Máster se desarrolla un procedimiento de detección de caídas en ancianos mediante unas plantillas sensorizadas. Está desarrollado en cuatro fases principales: estudio del estado del arte, diseño del procedimiento, procesado de datos y resultados y conclusiones. El objetivo principal del trabajo es la obtención de un modelo de detección de caídas fiable (alta precisión y un número de falsos positivos nulo).El hardware utilizado para la recogida de datos deriva de una colaboración con la empresa Podoactiva y el grupo de investigación HOWLab de la Universidad de Zaragoza. Estas plantillas, contiene sensores (acelerómetro y resistivos de presión) y mediante un módulo bluetooth mandan los datos a unos receptores. Estos receptores han sido desarrollados por el grupo de investigación HOWLab de la Universidad de Zaragoza.A lo largo de este trabajo se desarrollan cada una de las fases implicadas, así como la explicación de las decisiones de diseño tomadas en cada una de ellas. Finalmente se realizarán una serie de conclusiones y posibles líneas futuras. <br /

First advances in near fall detection and prediction when using a walker

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)Falls are a major concern to society. Several injuries associated with falls need medical care, and in the worst-case scenario, a fall can lead to death. These consequences have a high cost for the population. In order to overcome these problems, a diversity of approaches for detection, prediction, and prevention of falls have been tackled. Walkers are often prescribed to subjects who present a higher risk of falling. Thus, it is essential to develop strategies to enhance the user's safety in an imminent danger situation. In this sense, this dissertation aims to develop a strategy to detect a near fall (NF) and its direction as well as the detection of incipient near fall (INF) while the subject uses a walker. Furthermore, it has the purpose of detecting two gait events, the heel strike (HS) and the toe-off (TO). The strategies established, in this work, were based on the data gathered through an inertial sensor placed on the lower trunk and force sensors placed on the insoles. Following data collection, the methodology adopted to identify the situations aforementioned was based on machine learning algorithms. In order to reach the model with best performance, many combinations of different classifiers were tested with three feature selection methods. Regarding the detection of NF, the results achieved presented a Matthews Correlation Coefficient (MCC) of 79.99% being possible to detect a NF 1.76±0.76s before its end. With the implementation of the post-processing algorithm, a large part of the false positives was eliminated being able to detect all NF 1.48±0.68s before its end. Concerning the models built to distinguish the direction of the NF, the best model presented accuracy of 58.97% being unable to reliably distinguish the three fall directions. The methodology followed, in this work, was unsuccessful to detect an INF. The best model presented MCC=23.87%, in this case. Lastly, with respect to the detection of HS and TO events the best model reached MCC=86.94%. With the application of the post-processing algorithm, part of misclassified samples was eliminated, however, a delay in the detection of the HS and TO events was introduced. With the post-processing it was possible to reach MCC=88.82%, not including the imposed delay.As quedas representam uma grande preocupação para a sociedade. Várias lesões associadas às quedas necessitam de cuidados médicos e, no pior dos casos, uma queda pode levar à morte. Estas consequências traduzem-se em custos elevados para a população. A fim de ultrapassar estes problemas, várias abordagens têm sido endereçadas para deteção, previsão e prevenção das quedas. Os andarilhos são muitas vezes prescritos a sujeitos que apresentam um risco de queda maior. Desta forma, é essencial desenvolver estratégias para aumentar a segurança do utilizador perante uma situação de perigo iminente. Neste sentido, esta dissertação visa desenvolver uma estratégia que permita a deteção de uma quase queda (NF) e a sua direção, assim como a deteção incipiente de uma NF (INF). Para além disso, tem o objetivo de detetar dois eventos de marcha, o heel strike (HS) e o toe-off (TO). As estratégias definidas, neste trabalho, basearam-se nos dados recolhidos através de um sensor inercial posicionado no tronco inferior e de sensores de força colocados nas palmilhas. Após a aquisição dos dados, a metodologia adotada para identificar as situações anteriormente referidas foi baseada em algoritmos de machine learning. Com o intuito de obter o modelo com melhor desempenho, várias combinações de diferentes classificadores foram testadas com três métodos de seleção de features. No que concerne à deteção da NF, os resultados alcançados apresentaram um Matthews Correlation Coefficient (MCC) de 79.99% sendo possível detetar uma NF 1.76±0.76s antes do seu final. Com a implementação do algoritmo de pós-processamento, grande parte dos falsos positivos foram eliminados, sendo possível detetar todas as NF 1.48±0.68s antes do seu final. Em relação aos modelos construídos para distinguir a direção da NF, o melhor modelo apresentou uma precisão (ACC) de 59.97%. A metodologia seguida neste trabalho não foi bem sucedida na deteção INF. O melhor modelo apresentou um MCC=23.87%. Relativamente à deteção dos eventos, HS e TO, o melhor modelo atingiu um MCC=86.94%. Com a aplicação do algoritmo de pós-processamento parte das amostras mal classificadas foram eliminadas, no entanto, foi introduzido um atraso na deteção do HS e do TO. Com o pós-processamento foi possível obter um MCC=88.82%, não incluindo o atraso imposto pelo pós-processamento

Instrumentation of a cane to detect and prevent falls

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)The number of falls is growing as the main cause of injuries and deaths in the geriatric community. As a result, the cost of treating the injuries associated with falls is also increasing. Thus, the development of fall-related strategies with the capability of real-time monitoring without user restriction is imperative. Due to their advantages, daily life accessories can be a solution to embed fall-related systems, and canes are no exception. Moreover, gait assessment might be capable of enhancing the capability of cane usage for older cane users. Therefore, reducing, even more, the possibility of possible falls amongst them. Summing up, it is crucial the development of strategies that recognize states of fall, the step before a fall (pre-fall step) and the different cane events continuously throughout a stride. This thesis aims to develop strategies capable of identifying these situations based on a cane system that collects both inertial and force information, the Assistive Smart Cane (ASCane). The strategy regarding the detection of falls consisted of testing the data acquired with the ASCane with three different fixed multi-threshold fall detection algorithms, one dynamic multi-threshold and machine learning methods from the literature. They were tested and modified to account the use of a cane. The best performance resulted in a sensitivity and specificity of 96.90% and 98.98%, respectively. For the detection of the different cane events in controlled and real-life situations, a state-of-the-art finite-state-machine gait event detector was modified to account the use of a cane and benchmarked against a ground truth system. Moreover, a machine learning study was completed involving eight feature selection methods and nine different machine learning classifiers. Results have shown that the accuracy of the classifiers was quite acceptable and presented the best results with 98.32% of overall accuracy for controlled situations and 94.82% in daily-life situations. Regarding pre-fall step detection, the same machine learning approach was accomplished. The models were very accurate (Accuracy = 98.15%) and with the implementation of an online post-processing filter, all the false positive detections were eliminated, and a fall was able to be detected 1.019s before the end of the corresponding pre-fall step and 2.009s before impact.O número de quedas tornou-se uma das principais causas de lesões e mortes na comunidade geriátrica. Como resultado, o custo do tratamento das lesões também aumenta. Portanto, é necessário o desenvolvimento de estratégias relacionadas com quedas e que exibam capacidade de monitorização em tempo real sem colocar restrições ao usuário. Devido às suas vantagens, os acessórios do dia-a-dia podem ser uma solução para incorporar sistemas relacionados com quedas, sendo que as bengalas não são exceção. Além disso, a avaliação da marcha pode ser capaz de aprimorar a capacidade de uso de uma bengala para usuários mais idosos. Desta forma, é crucial o desenvolvimento de estratégias que reconheçam estados de queda, do passo anterior a uma queda e dos diferentes eventos da marcha de uma bengala. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver estratégias capazes de identificar as situações anteriormente descritas com base num sistema incorporado numa bengala que coleta informações inerciais e de força, a Assistive Smart Cane (ASCane). A estratégia referente à deteção de quedas consistiu em testar os dados adquiridos através da ASCane com três algoritmos de deteção de quedas (baseados em thresholds fixos), com um algoritmo de thresholds dinâmicos e diferentes classificadores de machine learning encontrados na literatura. Estes métodos foram testados e modificados para dar conta do uso de informação adquirida através de uma bengala. O melhor desempenho alcançado em termos de sensibilidade e especificidade foi de 96,90% e 98,98%, respetivamente. Relativamente à deteção dos diferentes eventos da ASCane em situações controladas e da vida real, um detetor de eventos da marcha foi e comparado com um sistema de ground truth. Além disso, foi também realizado um estudo de machine learning envolvendo oito métodos de seleção de features e nove classificadores diferentes de machine learning. Os resultados mostraram que a precisão dos classificadores foi bastante aceitável e apresentou, como melhores resultados, 98,32% de precisão para situações controladas e 94.82% para situações do dia-a-dia. No que concerne à deteção de passos pré-queda, a mesma abordagem de machine learning foi realizada. Os modelos foram precisos (precisão = 98,15%) e com a implementação de um filtro de pós-processamento, todas as deteções de falsos positivos foram eliminadas e uma queda foi passível de ser detetada 1,019s antes do final do respetivo passo de pré-queda e 2.009s antes do impacto

Instrumented shoes for daily activity monitoring in healthy and at risk populations

Daily activity reflects the health status of an individual. Ageing and disease drastically affect all dimensions of mobility, from the number of active bouts to their duration and intensity. Performing less activity leads to muscle deterioration and further weakness that could lead to increased fall risk. Gait performance is also affected by ageing and could be detrimental for daily mobility. Therefore, activity monitoring in older adults and at risk persons is crucial to obtain relevant quantitative information about daily life performance. Activity evaluation has mainly been established through questionnaires or daily logs. These methods are simple but not sufficiently accurate and are prone to errors. With the advent of microelectromechanical systems (MEMS), the availability of wearable sensors has shifted activity analysis towards ambulatory monitoring. In particular, inertial measurement units consisting of accelerometers and gyroscopes have shown to be extremely relevant for characterizing human movement. However, monitoring daily activity requires comfortable and easy to use systems that are strategically placed on the body or integrated in clothing to avoid movement hindrance. Several research based systems have employed multiple sensors placed at different locations, capable of recognizing activity types with high accuracy, but not comfortable for daily use. Single sensor systems have also been used but revealed inaccuracies in activity recognition. To this end, we propose an instrumented shoe system consisting of an inertial measurement unit and a pressure sensing insole with all the sensors placed at the shoe/foot level. By measuring the foot movement and loading, the recognition of locomotion and load bearing activities would be appropriate for activity classification. Furthermore, inertial measurement units placed on the foot can perform detailed gait analysis, providing the possibility of characterizing locomotion. The system and dedicated activity classification algorithms were first designed, tested and validated during the first part of the thesis. Their application to clinical rehabilitation of at risk persons was demonstrated over the second part. In the first part of the thesis, the designed instrumented shoes system was tested in standardized conditions with healthy elderly subjects performing a sequence of structured activities. An algorithm based on movement biomechanics was built to identify each activity, namely sitting, standing, level walking, stairs, ramps, and elevators. The rich array of sensors present in the system included a 3D accelerometer, 3D gyroscope, 8 force sensors, and a barometer allowing the algorithm to reach a high accuracy in classifying different activity types. The tuning parameters of the algorithm were shown to be robust to small changes, demonstrating the suitability of the algorithm to activity classification in older adults. Next, the system was tested in daily life conditions on the same elderly participants. Using a wearable reference system, the concurrent validity of the instrumented shoes in classifying daily activity was shown. Additionally, daily gait metrics were obtained and compared to the literature. Further insight into the relationship between some gait parameters as well as a global activity metric, the activity âcomplexityâ, was discussed. Participants positively rated their comfort while using the system... (Please refer to thesis for full abstract