Metode analize signala sa inercijalnih senzora za analizu hoda pacijenata sa oštećenim obrascem hoda

Abstract

Analiza hoda je postala široko rasprostranjen klinički alat koji se koristi za objektivnu evaluaciju obrasca hoda, efekata hirurških intervencija, oporavka ili efekata terapije. Sve veći broj kliničara bira pogodne tretmane za lečenje pacijenata na osnovu informacija o kinematici i kinetici hoda. Procena i kvantifikacija parametara hoda je važan zahtev u oblasti ortopedije i rehabilitacije, ali takođe i u sportu, rekreaciji i posebno u razvoju tehnologija za ljude u procesu starenja. U cilju objektivne procene obrasca hoda, razvijen je bežični senzorski sistem čije su senzorske jedinice bežične, malih dimenzija i jednostavno se montiraju na segmente nogu subjekta čiji se hoda analizira. Senzorske jedinice podržavaju 3D inercijalne senzore (senzore ubrzanja i ugaonih brzina, tj. akcelerometre i žiroskope), kao i senzore sile. Osnovni cilj istraživanja je doprinos metodologiji za obradu podataka sa inercijalnih senzora i razvoj novih metoda obrade signala sa inercijalnih senzora u procesu određivanja kinematičkih veličina koje su uobičajene u analizi hoda (uglovi u zglobovima, brzina kretanja, dužina koraka). Ova metodologija je od posebne važnosti za objektivnu procenu nivoa motornog deficita, progresa bolesti i efikasnosti terapija, kao i efikasnosti primenjene motorne kontrole (prilikom funkcionalne električne stimulacije). U toku istraživanja razvijeno je nekoliko metoda za računanje uglova segmenata nogu ili zglobova, u zavisnosti od senzorske konfiguracije i složenosti algoritma. U disertaciji su odvojeno prikazani slučajevi u kojima je neophodno posmatrati kretanje u prostoru (3D analiza) i mnogo češći slučaj kad se kinematika može redukovati na sagitalnu ravan (2D analiza). Algoritmi uključuju i kalibraciju senzora, eliminaciju viii drifta, rekonstrukciju trajektorije i izračunavanje niza drugih relevantnih podataka koji karakterišu obrazac hoda. Dobijeni rezultati su poređeni sa postojećim sistemima za analizu hoda koji su validirani za kliničke primene. (sistemi sa kamerama, goniometri, enkoderi)...

Gait analysis has become a widely used clinical tool which provides objective evaluation of the gait pattern, the effects of surgical interventions, recovery or therapy progress, and more and more clinicians are choosing therapy treatments based on gait kinematics and kinetics. Measuring gait parameters is an important requirement in the orthopedic and rehabilitation fields, but also in sports and fitness, and development of technologies for elderly population. In order to provide objective evaluation of the gait pattern, we have developed sensor system with light and small wireless sensor units, which can be easily mounted on body. These sensor units comprise 3-D inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) and force sensing resistors, and our recommended setup includes one sensor unit per each segment of both legs. The main goal of this research is contribution to the methodology for processing of signals from inertial sensors (accelerometer pairs, or accelerometer and gyroscope sensor units). By using signal processing algorithms developed for this research, inertial sensors allow objective assessment of the quality of the gait pattern. This methodology is especially important for assessment of the motor deficit, progress of the disease and therapy effectiveness, and effectiveness of performed motor control (functional electrical stimulation). We have developed several methods for estimation of leg segment angles and joint angles, which differ in sensor configuration and algorithm complexity. Methods based only on accelerometers offer reliable angle estimations, which are limited to sagittal plane analysis, while the method using accelerometers and gyroscopes allows 3- D analysis. All this algorithms include sensor calibration, drift minimization, trajectory x reconstruction and calculation of numerous other parameters relevant to gait pattern analysis. The obtained results were compared with other commercial systems which are validated for clinical applications (camera systems, goniometers, encoders)...