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

Análise da variabilidade da marcha de indivíduos com comprometimento articular unilateral do quadril por meio de sensores inerciais

Data variability analysis has been the focus of a number of studies seeking to capture differences of patterns generated by biological systems. Although several studies related to gait employ the analysis of variability in their observations, we noticed a lack of such information for subjects with unilateral coxarthrosis undergoing total hip arthroplasty (THA). To tackle this deficiency of information, we conducted a study of the gait on a treadmill with10 healthy subjects (30.7 ± 6.75 years old) from G1 and 24 subjects (65 ± 8.5 years old) with unilateral THA from G2. Thus, by means of two inertial measurement units (IMUs) positioned in the pelvis, we have developed a detection method of the step and stride for calculating these intervals and extract the signal characteristics. The variability analysis (coefficient of variation) was performed, taking into consideration the extracted features and the step and stride times. The average and the 95% confidence interval estimate for the average of the step and stride times to each group were in agreement with literature. The mean coefficient of variation for the step and stride times was calculated and compared among groups by the Kruskal-Wallis test with 95% confidence interval. Each component X, Y and Z of the two IMUs (accelerometer, magnetometer and gyroscope) corresponded to a variable. The resultants of each sensor, the linear velocity (accelerometers) and the instantaneous angular displacement (gyroscopes) completed the set of variables. The characteristics were extracted from the signals of these variables to check the variability in the G1 and G2 groups . There were significant differences (p <0.05) between G1 and G2 for the average of the step and stride times. The variability of the step and stride, as well as the variability of all other evaluated characteristics were higher for the group G2 (p <0.05). The method proposed in this study proved to be suitable for the measuring of variability of biomechanical parameters related to the extracted features. All the extracted features categorized the groups. The G2 group showed greater variability, so it is possible that the age and the pathological condition of the hip both contributed to this result.Dissertação (Mestrado)A análise de variabilidade tem-se destacado progressivamente nos estudos envolvendo sistemas biológicos. Apesar de vários estudos relacionados à marcha empregarem a análise de variabilidade em suas observações, notamos uma carência dessas informações para indivíduos com coxartrose unilateral submetidos a artroplastia total do quadril (ATQ). Para colaborar com essa deficiência de informação, conduzimos um estudo de marcha na esteira envolvendo 10 indivíduos (30,7±6,75 anos) saudáveis do grupo G1 e 24 indivíduos (65±8.5 anos) com ATQ unilateral do grupo G2. Assim, por meio de 2 unidades de medida inercial (UMIs) posicionadas na pelve, desenvolvemos um método de detecção do passo e da passada, para calcular esses intervalos e extrair as características do sinal. A análise de variabilidade (coeficiente de variação) foi conduzida, considerando as características extraídas e os intervalos do passo e da passada. A média e o intervalo de confiança de 95% estimado para a média dos intervalos do passo e da passada para cada grupo mostraram-se em concordância com a literatura. O coeficiente de variação médio para os intervalos do passo e da passada foi calculado e comparado entre os grupos pelo teste de Kruskall-Wallis com intervalo de confiança de 95%. Cada componente X, Y e Z das 2 UMIs (acelerômetro, giroscópio e magnetômetro), correspondeu a uma variável. As resultantes de cada sensor, a velocidade linear (acelerômetros) e o deslocamento angular instantâneo (giroscópios) completaram o conjunto das variáveis. As características foram extraídas dos sinais dessas variáveis para verificar a variabilidade nos grupos investigados. Foram encontradas diferenças significativas (p < 0,05) entre os grupos para as médias dos intervalos do passo e da passada. As variabilidades do passo e da passada, assim como as variabilidades de todas as outras características investigadas, foram maiores para o grupo G2 (p < 0,05). O método proposto nesse estudo mostrou-se adequado para as medidas de variabilidade dos parâmetros biomecânicos referentes às características extraídas. Todas as características extraídas discriminaram os grupos. O grupo G2 apresentou maior variabilidade, sendo assim, é provável que a condição patológica do quadril e a idade avançada contribuíram conjuntamente para esse resultado

Design of a vibrotactile stimulus paradigm for a biofeedback device to improve gait rehabilitation of lower limb amputees

Dissertação de mestrado integrado em Biomedical Engineering (specialization in Biomaterials Rehabilitation and Biomechanics)A lower limb amputation not only affects locomotion, but also the amputee's somatosensory system, body perception, and mental health and, naturally, the fear of falling is more pronounced. Consequently, the patient is faced with the challenge of developing motor strategies that allow him to carry out daily activities since the use of the prosthesis does not fully compensate for the deficiencies acquired by a prosthetic gait, such as, for instance, asymmetry and variation in the duration of the gait events. Faced with the absence of effective treatments that restore locomotor functionality, the BioWalk project presents a rehabilitation solution: a biofeedback system that assists amputees during gait training sessions. This system consists in applying a vibrotactile stimulus on the skin of the affected leg. This stimulus can be activated at different moments of the prosthetic gait, allowing the patient to have a better perception and awareness of his body and locomotion to be able to detect any abnormal motor behaviours during the rehabilitation sessions and, in the future, to establish an adequate and healthy gait pattern. Consequently, there is a need to analyse muscular and kinematic data of the gait of amputees to detect which events are critical in prosthetic gait, which muscles are activated or most required in gait, how the centre of mass behaves in the gait of an amputee, among other parameters. Thus, in this dissertation, the main goal is to investigate and propose the best way (i.e., paradigm) to apply a vibrotactile stimulus to be used in a biofeedback device during rehabilitation sessions.Uma amputação do membro inferior não afeta apenas a locomoção, mas também o sistema somatosensorial do amputado, a sua perceção corporal, a sua saúde mental e, naturalmente, o medo de cair encontra-se mais acentuado. Consequentemente, o paciente é confrontado com o desafio de desenvolver estratégias motoras que lhe permitam a realização de atividades diárias dado que o uso da prótese não compensa totalmente as deficiências adquiridas por uma marcha protética, como por exemplo, a assimetria e a variação na duração dos eventos de marcha. Perante a ausência de tratamentos eficazes que restaurem a funcionalidade locomotora, o projeto BioWalk apresenta uma solução de reabilitação: um sistema de biofeedback que auxilie a pessoa amputada durante sessões de treino de marcha. Este sistema consiste na aplicação de um estímulo vibrotátil sobre a pele da perna afetada. Este estímulo pode ser ativado em diversos momentos da marcha protética permitindo ao paciente uma melhor percetibilidade e consciência sobre o seu corpo e locomoção para que seja capaz de detetar algum comportamento motor anormal durante as sessões de reabilitação e para, futuramente, estabelecer um padrão de marcha adequado e saudável. Consequentemente, surge a necessidade de analisar dados musculares e cinemáticos da marcha de amputados de forma a detetar quais os eventos críticos na marcha protética, quais são os músculos ativados ou os que são mais requeridos na marcha, como se comporta o centro de massa na marcha de um amputado, entre outros parâmetros. Assim, nesta dissertação, o objetivo é propor um paradigma de estímulos vibrotáteis para serem usados num dispositivo de biofeedback durante sessões de reabilitação

Metodologia para avaliação e monitorização da marcha espástica em pacientes pós-AVC

O trabalho que se apresenta nesta dissertação pretende ser uma contribuição para o desenvolvimento de métodos de avaliação da recuperação da marcha em pacientes pós acidente vascular cerebral (AVC), envolvidos em programas de reabilitação e que sejam utilizadores de ortóteses tornozelo-pé (AFO – Ankle Foot Orthosis). A metodologia desenvolvida considera uma AFO em polipropileno (PP), que é instrumentada com uma unidade de medição inercial (UMI) e oito extensómetros elétricos de resistência. A UMI é fixa com uma tira elástica na posição do retro pé. Os dados recolhidos a partir da instrumentação são utilizados para monitorizar a marcha de doentes pós AVC, a partir do qual podem ser estimados diversos parâmetros espácio-temporais. Os sinais recolhidos nos extensómetros permitem a identificação dos eventos da marcha, necessários para a segmentação do sinal da aceleração, enquanto o sinal da aceleração do eixo horizontal da UMI, no plano sagital, garante a identificação da velocidade da marcha, tempo de apoio e comprimento do ciclo da marcha. Nos testes ao método desenvolvido foram utilizados dois voluntários: um indivíduo saudável e um paciente em recuperação pós AVC, tendo sido definido um protocolo de marcha com dez metros (10 MWT). Os dados recolhidos no indivíduo saudável foram enquadrados no padrão de referência. O paciente executou o protocolo antes e após tratamento com toxina botulínica (TB). Este estudo propõe a definição de um novo parâmetro, o índice de confiança ic, que avalia a confiança do sujeito espástico durante a marcha, com base na transferência do centro da gravidade do corpo na fase do balanço. O método Bland –Altman foi aplicado para validar o método da UMI de medição da velocidade de marcha, comparando com um método de referencia que utiliza medição temporal com cronómetro. A média das diferenças entre os dois métodos foi determinada junto aos limites de concordância. O t Student test permitiu a validação dos dados utilizados no cálculo do índice de confiança. A correlação forte entre as velocidades da marcha e os tempos de apoio e a cadência, fortalece a confiabilidade dos dados obtidos e dos parâmetros calculados utilizando os métodos desenvolvidos neste trabalho. Os resultados obtidos com a metodologia desenvolvida, que apresenta uma estratégia inovadora que recorre aos ângulos da orientação de uma UMI no plano sagital mostraram que é possível monitorizar a evolução dos doentes pós-AVC com recurso a uma AFO

Seguimento do movimento humano usando visão computacional : aplicação na análise da marcha

Tese de mestrado. Engenharia Electrotécnica e de computadores (área de especialização em Informática e Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

Baropodometria computadorizada

Teste que visa medir as pressdes desenvolvidas nos diferentes pontos da região plantar dos pés, quer em ortostatismo quer em marcha

Desenvolvimento de prótese transfemural robótica : projeto mecânico e de atuação

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015.A presente dissertação de mestrado descreve o projeto e o desenvolvimento de uma prótese transfemural robótica, em especial o design mecânico e o sistema de atuação. O mecanismo do joelho, construído para apresentar uma movimentação policêntrica, foi baseado em um arranjo de quatro barras, pemitindo um posicionamento conveniente do centro instantâneo de rotação durante a as diversas fases marcha. Essa configuração confere maior estabilidade e controlabilidade ao usuário e maior conforto em movimento. O sistema de atuação consiste de um pistão magnetoreológico que funciona como amortecedor de amortecimento variável controlável por corrente elétrica. São apresentados também a eletrônica embarcada no dispositivo e os sensores instalados para a medição de diversas variáveis da marcha. Os experimentos realizados com um voluntário amputado, também aqui apresentados, permitem concluir que o dispositivo confeccionado é funcional como prótese e capaz de possibilitar ao usuário marcha confortável ao usuário, com maior dinamismo e segurança para o usuário. Os experimentos também apontam diversas possibilidades de aprimoramento do dispositivo.This master thesis describes the design and development of a transfemoral robotic prosthesis, especially the mechanical design and the actuation system. The knee mechanism, built to present a polycentric movement, was based in a four bar linkage, enabling a convenient positioning of the instantaneous center of rotation during the different phases of gait. This configuration provides greater stability and controllability to the user and greater comfort in motion. The actuation system consists of a magnetorheological piston which acts as damper with variable damping controllable by electrical current. The paper also presents the embedded electronics and the sensor system for measuring different gait variables. The experiments carried out with an amputated volunteer, also presented here, demonstrates that the built device is functional as a prosthesis and grants to the user comfortable gait with greater dynamism and safety. The experiments also point to several device enhancement possibilities

Sistema para análise automatizada de movimento durante a marcha usando uma câmara RGB-D

Nowadays it is still common in clinical practice to assess the gait (or way of walking) of a given subject through the visual observation and use of a rating scale, which is a subjective approach. However, sensors including RGB-D cameras, such as the Microsoft Kinect, can be used to obtain quantitative information that allows performing gait analysis in a more objective way. The quantitative gait analysis results can be very useful for example to support the clinical assessment of patients with diseases that can affect their gait, such as Parkinson’s disease. The main motivation of this thesis was thus to provide support to gait assessment, by allowing to carry out quantitative gait analysis in an automated way. This objective was achieved by using 3-D data, provided by a single RGB-D camera, to automatically select the data corresponding to walking and then detect the gait cycles performed by the subject while walking. For each detected gait cycle, we obtain several gait parameters, which are used together with anthropometric measures to automatically identify the subject being assessed. The automated gait data selection relies on machine learning techniques to recognize three different activities (walking, standing, and marching), as well as two different positions of the subject in relation to the camera (facing the camera and facing away from it). For gait cycle detection, we developed an algorithm that estimates the instants corresponding to given gait events. The subject identification based on gait is enabled by a solution that was also developed by relying on machine learning. The developed solutions were integrated into a system for automated gait analysis, which we found to be a viable alternative to gold standard systems for obtaining several spatiotemporal and some kinematic gait parameters. Furthermore, the system is suitable for use in clinical environments, as well as ambulatory scenarios, since it relies on a single markerless RGB-D camera that is less expensive, more portable, less intrusive and easier to set up, when compared with the gold standard systems (multiple cameras and several markers attached to the subject’s body).Atualmente ainda é comum na prática clínica avaliar a marcha (ou o modo de andar) de uma certa pessoa através da observação visual e utilização de uma escala de classificação, o que é uma abordagem subjetiva. No entanto, existem sensores incluindo câmaras RGB-D, como a Microsoft Kinect, que podem ser usados para obter informação quantitativa que permite realizar a análise da marcha de um modo mais objetivo. Os resultados quantitativos da análise da marcha podem ser muito úteis, por exemplo, para apoiar a avaliação clínica de pessoas com doenças que podem afetar a sua marcha, como a doença de Parkinson. Assim, a principal motivação desta tese foi fornecer apoio à avaliação da marcha, permitindo realizar a análise quantitativa da marcha de forma automatizada. Este objetivo foi atingido usando dados em 3-D, fornecidos por uma única câmara RGB-D, para automaticamente selecionar os dados correspondentes a andar e, em seguida, detetar os ciclos de marcha executados pelo sujeito durante a marcha. Para cada ciclo de marcha identificado, obtemos vários parâmetros de marcha, que são usados em conjunto com medidas antropométricas para identificar automaticamente o sujeito que está a ser avaliado. A seleção automatizada de dados de marcha usa técnicas de aprendizagem máquina para reconhecer três atividades diferentes (andar, estar parado em pé e marchar), bem como duas posições diferentes do sujeito em relação à câmara (de frente para a câmara e de costas para ela). Para a deteção dos ciclos da marcha, desenvolvemos um algoritmo que estima os instantes correspondentes a determinados eventos da marcha. A identificação do sujeito com base na sua marcha é realizada usando uma solução que também foi desenvolvida com base em aprendizagem máquina. As soluções desenvolvidas foram integradas num sistema de análise automatizada de marcha, que demonstrámos ser uma alternativa viável a sistemas padrão de referência para obter vários parâmetros de marcha espácio-temporais e alguns parâmetros angulares. Além disso, o sistema é adequado para uso em ambientes clínicos, bem como em cenários ambulatórios, pois depende de apenas de uma câmara RGB-D que não usa marcadores e é menos dispendiosa, mais portátil, menos intrusiva e mais fácil de configurar, quando comparada com os sistemas padrão de referência (múltiplas câmaras e vários marcadores colocados no corpo do sujeito).Programa Doutoral em Informátic

Benefits of robotic-assisted gait in spinal cord injury: a systematic review

Objective: To evaluate the quality of current evidence regarding effectiveness of body weightsupported, robot-assisted gait in subjects with spinal cord injury, with emphasis on gait performance. Method: A survey was conducted in PubMed, LILACS and EMBASE using the keywords “spinal cord injury” AND (gait OR walking OR deambulation) reahbilitation AND robotic AND (Lokomat OR ReoAmbulator OR Formador Gait). Clinical trials published between 2001-2012 which compared locomotor training with or without other intervention were included. Results: From the 8 selected studies, only one did not findimprovement in gait performance. From the studies which found improvement, 6 found statistically significant improvement and one found no significant difference, although a tendency to improvement was noticed. The findings of these studies were obtained through assessment tools like the six-minute and the ten-meter walk tests, FIM (Functional Independence Measure, WISCI II (Walking Index for Spinal Cord Injury), among others. Some studies pointed to a decrease in the need for orthotics and assistive devices in this group. Regarding methodological quality, 6 articles presented scores lower than 3 points and only one article got the maximum score 5 in JADAD scale (low quality less than 3). Implication/Impact on rehabilitation. Conclusion: In spite of the small quantity of articles found, of the low methodological quality noted and the fact that this is a costly and new modality of intervention, the results are significant when compared to conventional physical therapy and to other well-established techniques in physical therapy.Objetivo: Avaliar a qualidade atual de evidências quanto à eficácia da marcha robótica com suspensão de peso corporal em indivíduos com lesão medular, com ênfase no desempenho da marcha. Método: O levantamento bibliográfico foi realizado nas bases PubMed, LILACS e EMBASE referentes às publicações de ensaios clínicos dos últimos doze anos (2000-2012), utilizando-se a relação entre as palavras chave Spinal cord injury AND ( gait OR walking OR deambulation) reahbilitation AND robotic AND ( lokomat OR ReoAmbulator OR Formador Gait). Resultados: Dos oito estudos selecionados, apenas um não observou melhora no padrão de desempenho da marcha. Dos estudos que encontraram melhora, 6 encontraram melhora estatisticamente significativa e um não encontraram nenhuma diferença significativa, apesar de uma tendência de melhora ter sido observada. As conclusões destes estudos foram obtidas por meio de ferramentas de avaliação como o teste de caminhada de 6 minutos e de 10 metros, MIF (medida de independência funcional, WISCI II (Índice de caminhada de Lesão Medular), entre outros. Alguns estudos apontam uma diminuição na necessidade de órteses e dispositivos auxiliares nesse grupo. Quanto à qualidade metodológica, seis artigos apresentaram escores inferiores a 3 pontos e apenas um artigo teve a pontuação máxima de 5 na escala JADAD (baixa qualidade pontuação inferior a 3) Implicação/Impacto na reabilitação. Conclusão: Apesar da pequena quantidade de artigos encontrados, baixa qualidade metodológica e o fato desta ser uma intervenção nova e de alto custo, os resultados são significativos quando comparados com a terapia física convencional e outras técnicas bem estabelecidas na fisioterapia

Análise da marcha de crianças em tratamento com toxina botulínica do tipo A

Resum