Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/52173
Type: Tese
Title: Avaliação da marcha humana utilizando palmilhas sensorizadas e algoritmo de aprendizado de máquina
Authors: Diego Henrique Antunes Nascimento
First Advisor: Claysson Bruno Santos Vimieiro
First Co-advisor: Maria Lucia Machado Duarte
First Referee: Alisson Marques da Silva
Second Referee: Vanessa Lara de Araújo
Third Referee: Antonio Augusto Torres Maia
metadata.dc.contributor.referee4: Luciano Luporini Menegaldo
Abstract: A análise da marcha humana pode ser uma importante fonte de informações para identificar e prever patologias e lesões. Nesse aspecto, as palmilhas instrumentadas apresentam potencial para a extração de características da marcha. No entanto, existem dificuldades técnicas e comerciais que podem limitar a difusão dessa tecnologia. As palmilhas instrumentadas, disponíveis no mercado, possuem custo elevado e software fechado. Por outro lado, os protótipos acadêmicos de baixo custo não apresentam informações suficientes sobre os parâmetros de projeto, técnicas de fabricação e diretrizes para o desenvolvimento. Além disso, o processamento de dados é complexo e requer um conhecimento específico por parte do usuário. O presente estudo propõe o desenvolvimento de um sistema baseado na aquisição da pressão plantar (PP) com palmilha instrumentadas que utilizam um algoritmo de aprendizado de máquina para identificar diferentes padrões de PP e extrair características biomecânicas que podem auxiliar na avaliação clínica. Para isso, foi desenvolvida uma palmilha instrumentada de baixo custo, com sensores customizados que são capazes de estimar a componente vertical da Força de Reação do Solo (vFRS) e que foi foi validada utilizando uma esteira instrumentada de dupla cinta (Bertec, 1000 Hz, EUA) como “padrão ouro”, atingindo uma correlação de Pearson de 0,73. Durante o processo de validação, foi desenvolvida uma nova metodologia de calibração, que aumentou em até 12%(em alguns casos) a correlação com a plataforma de força em relação ao método usual de calibração, aumentado a correlação média para 0,78 (Pearson). O estudo contou com a participação de 32 voluntários (18 homens e 14 mulheres) para a validação do sistema. Cada voluntário caminhou na esteira instrumentada usando uma palmilha instrumentada experimental. Os dados adquiridos foram processados por meio de algoritmos baseados em aprendizado de máquina responsáveis por identificar diferentes padrões de PP e extrair características biomecânicas que podem auxiliar na avaliação clínica. Os dados foram agrupados por um Algoritmo Imunológico (AI) baseado em PP durante a marcha, onde a correlação de Pearson interna do grupo foi estabelecida superior a 0,90. Esses grupos passaram por um processo de mineração de dados utilizando o algoritmo Classification and Regression Tree (CART), onde foram extraídas as características biomecânicas (coordenadas do centro de presão, duração de cada fase, picos de pressão) de cada grupo e criadas algumas regras para classificação para cada tipo de marcha encontrada. Como resultado, o sistema consegiu elencar uma lista de variáveis que definem cada um dos grupos de forma a realizar uma classificação da marcha em 86% dos casos. Após a aplicação dos algoritmos AI e CART, foram encontrados seis grupos. Foi verificado um potencial do sistema em coletar e processar o comportamento biomecânico da marcha, oferecendo pontos de verificação que podem auxiliar no foco durante uma avaliação clínica.
Abstract: Human gait analysis can provide an excellent source for identifying and predicting pathologies and injuries. In this respect, instrumented insoles also have a great potential for extracting gait information. However, there are technical and commercial difficulties that can limit the diffusion of this technology. The insoles available on the market have a high cost and closed software. On the other hand, the low-cost academic prototypes do not present enough information about the design parameters, manufacturing techniques, and guidelines for developing. In addition, data processing is highly complex and requires a high degree of user knowledge. The present study proposes a proof-of-concept of a system based on vertical ground reaction force (vGRF) acquisition with a sensorized insole that uses a machine learning algorithm to identify different patterns of vGRF and extract biomechanical characteristics that can help during clinical evaluation. For this, a low-cost instrumented insole was developed, with customized sensors that was validated using a double-belt instrumented treadmill (Bertec, 1000 Hz, USA) as the “gold standard”. A new calibration methodology was developed, which increased by 12% the correlation with the force plate in relation to the usual calibration method. The study had the participation of 32 volunteers (18 men and 14 women). Each volunteer walked on the instrumented treadmill while wearing an experimental resistive sensorized insole. The acquired data are processed using algorithms based on machine learning responsible to to identify different patterns of vGRF and extract biomechanical characteristics that can help during clinical evaluation. The data was clustered by an Immunological Algorithm (IA) based on vGRF during gait. These clusters underwent a data mining process using the Classification and Regression Tree algorithm (CART), where the main characteristics of each group were extracted, and some rules for gait classification were created. As a result, the system proposed was able to collect and process the biomechanical behavior of gait. After the application of IA and CART algorithms, six groups were found. The characteristics of each of these groups were extracted and verified the capability of the system to collect and process the biomechanical behavior of gait, offering verification points that can help focus during a clinical evaluation.
Subject: Engenharia mecânica
Aprendizado do computador
Biomecânica
Marcha humana
Mineração de dados (Computação)
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/52173
Issue Date: 16-Dec-2022
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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