Prédiction des forces de réaction au sol lors de la marche avec des capteurs inertiels

Belaid, Sarra (2020). Prédiction des forces de réaction au sol lors de la marche avec des capteurs inertiels. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Santé Publique Canada a enregistré en 2015 un total de 85170 accidents vasculaires cérébraux ayant causé une hémiparésie. Des asymétries spatio-temporelles lors de la marche sont observées dans 48 à 60% de ces cas. Les cliniciens se basent en général sur l’observation visuelle pour évaluer l’asymétrie de la mise en charge durant le processus de la réadaptation. Les impacts de cette asymétrie sur les activités de la vie quotidienne des patients ne sont pas mesurés.

Ainsi, l’objectif de ce projet de recherche est de développer une méthode pour quantifier la mise en charge en estimant les forces de réaction au sol (FRS) avec des capteurs inertiels, chez le sujet sain.

Pour ce faire, deux capteurs inertiels ont été utilisés au niveau des tibias chez six participants sains marchant sous cinq conditions de marche, en mode symétrique et asymétrique. Un tapis roulant instrumenté à deux voies constituait la mesure de référence au niveau cinétique. Un modèle non-linéaire entraîné par identification a été utilisé pour prédire les FRS grâce aux données des capteurs inertiels et celles mesurées directement par les plateformes de forces. Les composantes verticale et antéro-postérieure ont été considérées, du côté droit et gauche simultanément. Les valeurs prédites ont été comparées aux données réelles par la méthode de Bland Altman et les erreurs ont été calculées.

Les résultats ont donné une erreur quadratique moyenne normalisée de 5,21 et 7,28% à vitesse confortable pour la FRSV et la FRSAP, respectivement. À vitesse lente de 0,8 m/s, nous avons obtenu 3,79 et 6,74% pour les deux forces, respectivement. À vitesse très lente de 0,4 m/s, nous rapportons une erreur de 5,13 et de 10,31%, respectivement. En mode asymétrique avec un ratio d’asymétrie de 1/1,5, l’erreur était de 5,35 et de 7,45%, et enfin, nous avons obtenu une erreur de 6,27 et de 8,54% pour la marche en mode asymétrique 1/2, dans les directions verticale et antéro-postérieure, respectivement.

Les résultats obtenus avec ce modèle sont comparables à ceux rapportés dans la littérature avec un niveau de précision élevée comparativement aux travaux précédents. Ces résultats nous démontrent que l’utilisation des capteurs inertiels permettrait d’apprécier les FRS hors laboratoire. Dans un travail futur, la méthode développée pourrait être appliquée sur les données collectées sur des sujets atteints d’hémiparésie évalués à l’intérieure et à l’extérieure du laboratoire.

Titre traduit

Prediction of ground reaction forces during walking using inertial sensors

Résumé traduit

The public Health Agency of Canada recorded 85170 cases of stroke in 2015 leading to hemiparesis among the affected patients. Spatiotemporal asymmetries are observed in 48 to 60% of the cases. The clinicians rely on some visual observations to assess the loading asymmetry during the rehabilitation process. The impact of this asymmetry during gait on daily life activities is not evaluated.

The aim of this study is to estimate the ground reaction forces (GRF) during walking with inertial sensors in healthy subjects.

To do so, two inertial sensors placed on the tibia were used for six healthy subjects that were instructed to walk under five walking conditions on an instrumented treadmill working under symmetric and asymmetric modes. The force platforms embedded in the treadmill are the gold standard for the measurement of the GRFs and constituted the kinetic reference. A nonlinear system identification model was used to predict the GRFs based on the inertial sensors data and the benchmark forces obtained from the force platforms. The vertical and the anteroposterior forces were considered for the right and the left legs, simultaneously. The Bland-Altman method was used to evaluate the agreement between the predicted and the measured forces and the precision was assessed by calculating the prediction errors.

The results gave a normalized root mean square error of 5.21 and 7.28% at the comfortable speed for the GRFV and GRFAP, respectively. At slow speed of 0.8 m/s, the error was 3.79 and 6.74% for the two forces. At a slower speed of 0.4 m/s, the error obtained was 5.13 and 10.31%, respectively. For the asymmetric mode with an asymmetry ratio of 1/1.5, we report an error of 5.35 and 7.45%, and lastly, for an asymmetry ratio of 1/2, the error reached 6.27 and 8.54%, in the vertical and anteroposterior directions, respectively.

The results obtained with our model were comparable with those obtained in the literature with a higher precision compared to previous work. These results show that the inertial sensors might be used to estimate the GRF outside the laboratory by providing an ambulatory mean to predict them. In future work, the developed method can be applied on the data collected among hemiparetic subjects walking inside and outside of the laboratory.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire concentration technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 118-120).
Mots-clés libres:	forces de réaction au sol, marche, prédiction, capteurs inertiels, identification, Hammerstein-Wiener
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Aissaoui, Rachid
Codirecteur:	Codirecteur Nadeau, Sylvie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	06 nov. 2020 19:27
Dernière modification:	06 nov. 2020 19:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2570

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