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http://hdl.handle.net/1843/81681
Type: | Tese |
Title: | Desenvolvimento de um sistema para análise e reconhecimento de padrões de marcha humana com aplicação de algoritmos de clustering |
Other Titles: | Development of a system for analysis and recognition of human gait patterns with the application of clustering algorithms |
Authors: | Wellingtânia Domingos Dias |
First Advisor: | Rudolf Huebner |
First Co-advisor: | Meinhard Sesselmann |
metadata.dc.contributor.advisor-co2: | Renata Kirkwood |
First Referee: | Cleudmar Amaral de Araújo |
Second Referee: | Luciano Luporini Menegaldo |
Third Referee: | Pedro Americo Almeida Magalhães Junior |
metadata.dc.contributor.referee4: | Claysson Bruno Santos Vimieiro |
Abstract: | Este estudo apresenta o desenvolvimento do GAITWell, um sistema de análise da marcha humana baseado em sensores binários e algoritmos de clustering. O sistema foi projetado para identificar e classificar padrões de marcha com base em variáveis espaço-temporais, oferecendo resultados automáticos. O GAITWell visa superar as limitações das tecnologias tradicionais, como altos custos e baixa acessibilidade, oferecendo uma alternativa viável para países de renda média e baixa. Os sistemas de análise da marcha fornecem informações valiosas sobre os padrões locomotores, imprescindíveis para o diagnóstico e tratamento de distúrbios, o que justifica o desenvolvimento do GAITWell. O objetivo deste estudo foi desenvolver e implementar um sistema de análise da marcha utilizando sensores binários (níveis lógicos 0 e 1) e algoritmos de clustering para identificar padrões locomotores. O GAITWell integra módulos de aquisição de dados, controle, segmentação de pegadas, armazenamento em banco de dados e interface gráfica para aplicação clínica. O software foi desenvolvido em C# (.NET Framework), com armazenamento em SQLite. O hardware é composto por sensores dispostos em placas de 44 × 37 cm (matriz 11 × 7, com espaçamento de 4 cm), projetadas para capturar os eventos da marcha e integradas ao sistema para análise. A confiabilidade teste-reteste foi avaliada por meio do coeficiente de correlação intraclasse (ICC), erro padrão da média (SEM) e gráficos de Bland-Altman. A validade concorrente foi estabelecida comparando-se o GAITWell ao Qualisys Pro-Reflex. Os resultados indicaram alta precisão na identificação das passadas, com correlações moderadas a altas para a maioria das variáveis da marcha. No entanto, o comprimento do passo apresentou correlação inferior (r = 0,360, p < 0,05). O ICC2,1 mostrou concordância moderada a boa para a maioria das variáveis, exceto para o tempo de duplo apoio, cadência e base de suporte, que apresentaram concordância inferior, indicando a necessidade de aprimoramentos. O estudo envolveu 38 adultos saudáveis (idade média de 33,2 anos, DP 13,0; IMC médio de 26,6 kg/m², DP 5,4). Apesar da alta precisão na identificação de pegadas, algumas variáveis apresentaram menor concordância, sugerindo a necessidade de aprimoramento na captação dos eventos da marcha. A análise revelou que a resolução dos sensores impacta diretamente a acurácia na determinação das variáveis espaço-temporais. Para mitigar essa limitação, foi analisado o impacto do aumento da resolução dos sensores para 1,2 cm × 1,2 cm, o que reduziria o erro de medição de 2 cm para 0,6 cm, representando uma redução teórica de 70%. O GAITWell apresenta grande potencial para aplicações clínicas e pesquisas, especialmente em ambientes com recursos limitados, como clínicas de reabilitação e instituições para idosos. Sua portabilidade, modularidade e eficiência na coleta de dados o tornam uma alternativa rápida e acessível em comparação com métodos tradicionais. Para aprimorar sua precisão e aplicabilidade, recomenda-se a utilização de sensores de maior resolução e a realização de novas validações com diferentes perfis populacionais. Além disso, sua escalabilidade e integração com outros sistemas ampliam seu potencial de aplicação em diferentes contextos clínicos e de pesquisa. Com esses aprimoramentos, o GAITWell tem o potencial de reduzir custos e promover maior acessibilidade no diagnóstico e acompanhamento de distúrbios da marcha. |
Abstract: | This study presents the development of GAITWell, a human gait analysis system based on binary sensors and clustering algorithms. The system was designed to identify and classify gait patterns based on spatiotemporal variables, providing automatic results. GAITWell aims to overcome the limitations of traditional technologies, such as high costs and low accessibility, offering a viable alternative for middle- and low-income countries. Gait analysis systems provide valuable information on locomotor patterns, essential for diagnosing and treating disorders, which justifies the development of GAITWell. The objective of this study was to develop and implement a gait analysis system using binary sensors (logical levels 0 and 1) and clustering algorithms to identify locomotor patterns. GAITWell integrates data acquisition, control, footprint segmentation, database storage, and a graphical interface for clinical application. The software was developed in C# (.NET Framework) with SQLite storage. The hardware consists of sensors arranged on 44 × 37 cm plates (11 × 7 matrix with 4 cm spacing), designed to capture gait events and integrated into the system for analysis. Test-retest reliability was assessed using the intraclass correlation coefficient (ICC), standard error of measurement (SEM), and Bland-Altman plots. Concurrent validity was established by comparing GAITWell to Qualisys Pro-Reflex. The results indicated high accuracy in step identification, with moderate to high correlations for most gait variables. However, step length showed a lower correlation (r = 0.360, p < 0.05). The ICC2,1 demonstrated moderate to good agreement for most variables, except for double support time, cadence, and base of support, which exhibited lower agreement, indicating the need for improvements. The study involved 38 healthy adults (mean age: 33.2 years, SD 13.0; mean BMI: 26.6 kg/m², SD 5.4). Despite the high accuracy in footprint identification, some variables showed lower agreement, suggesting the need for improvement in gait event capture. The analysis revealed that sensor resolution directly impacts the accuracy of spatiotemporal variable determination. To mitigate this limitation, the impact of increasing sensor resolution to 1.2 cm × 1.2 cm was analyzed, which would reduce measurement error from 2 cm to 0.6 cm, representing a theoretical reduction of 70%. GAITWell has great potential for clinical applications and research, especially in resource-limited environments such as rehabilitation clinics and elderly care institutions. Its portability, modularity, and efficiency in data collection make it a fast and accessible alternative compared to traditional methods. To enhance its accuracy and applicability, the use of higher-resolution sensors and further validations with different population profiles are recommended. Additionally, its scalability and integration with other systems expand its potential for application in various clinical and research contexts. With these improvements, GAITWell has the potential to reduce costs and promote greater accessibility in the diagnosis and monitoring of gait disorders. |
Subject: | Engenharia mecânica Bioengenharia Marcha humana Reconhecimento de padrões |
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/1843/81681 |
Issue Date: | 18-Dec-2024 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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