Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de biomécanique translationnelle IBME (Laboratoire de mesure et d'analyse des mouvements LMAM)

Analysis of gait and coordination for arthroplasty outcome evaluation using body-fixed sensors

Dejnabadi, Hooman ; Aminian, Kamiar (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3594.

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    Summary
    The importance of evaluation of an orthopedic operation such as hip or knee arthroplasty has long been recognized. Many definitions of outcome and scoring questionnaires have been used in the past to assess the outcome of joint replacement. However, these assessments are subjective and not accurate enough. In addition, orthopedic surgeons require now more subtle comparisons between potentially efficacious treatments (e.g. two types of prostheses). Therefore, the use of objective instruments that have a better sensitivity and specificity than traditional scoring systems is needed. Gait analysis is one of the most currently used instrumented techniques in this respect. However, a gait analysis system is accessible only in a few specialized laboratories, as it is complex, expensive, need a lot of room space and fixed devices, and not convenient for the patient. In this thesis, we proposed an ambulatory system based on kinematic sensors attached on the lower limbs to overcome the limitations of the previously mentioned techniques. Technically the device is portable, easily mountable, non-invasive, and capable of continuously recording data in long term without hindrance to natural gait. The goal was to provide gait parameters as a new objective method to assess Total Knee Replacement (TKR). New solutions to fusing the data of accelerometers and gyroscopes were proposed to accurately measure lower limbs orientations and joint angles. The methods propose a minimal sensor configuration with one sensor module mounted on each segment. The models consider anatomical aspects and biomechanical constraints. In the proposed techniques, the angles are found without the need for integration, so absolute angles can be obtained which are free from any source of drift. These data were then used to develop a gait analysis system providing spatio-temporal parameters, kinematic curves, and a visualization tool to animate the motion data as synthetic skeletons performing the same actions as the subjects. Moreover, a new algorithm was proposed for assessing and quantification of inter-joint coordination during gait. The coordination model captures the whole dynamics of the lower limbs movements and shows the kinematic synergies at various walking speeds. The model imposes a relationship among lower limb joint angles (hips and knees) to parameterize the dynamics of locomotion for each individual. It provides a coordination score at various walking speeds which is ranged between 0 and 10. An integration of different analysis tools such as Harmonic Analysis, Principal Component Analysis, and Artificial Neural Network helped overcome high-dimensionality, temporal dependence, and non-linear relationships of the gait patterns. In order to show the effectiveness of the proposed methods in outcome evaluation, we have considered a clinical study where the outcomes of two types of knee prostheses were compared. We conducted a randomized controlled study, including 54 patients, to assess TKR outcome between patients with fixed bearing and mobile bearing tibial plates of implants. The patients were tested preoperatively and postoperatively at 6 weeks, 3 months, 6 months, and 1 year. Various statistical analyses were done to compare the outcomes of the two groups. Finally, we provided objective criteria, using ambulatory gait analysis, for assessing functional recovery following TKR procedure. We showed significant difference between the two groups where the standard clinical evaluation was unable to detect such a difference.
    Résumé
    L'importance de l'évaluation d'une opération orthopédique telle que l'arthroplastie de la hanche ou du genou a depuis longtemps été identifiée. De nombreux scores cliniques, ainsi que des questionnaires d'évaluation sont utilisés pour évaluer les résultats d'une arthroplastie. Cependant, ces évaluations sont subjectives et peu précises. De plus, le chirurgien a besoin de comparaisons plus subtiles entre les traitements potentiellement efficaces (par exemple deux types de prothèses). Par conséquent, l'utilisation d'instruments objectifs qui ont une meilleure sensibilité et spécificité que les systèmes d'évaluation traditionnels est nécessaire. L'analyse de la marche est l'une des techniques instrumentales les plus utilisées actuellement à cet égard. Pourtant, les systèmes d'analyse de la marche ne sont accessibles que dans quelques laboratoires spécialisés, car ils sont complexes et coûteux. Ces dispositifs nécessitent de grandes salles, ils sont fixes et non portables et ils ne sont pas toujours commodes pour le patient. Dans cette thèse, nous avons proposé un système ambulatoire basé sur des capteurs cinématiques fixés sur les membres inférieurs afin de surmonter les limitations des techniques mentionnées précédemment. Le dispositif est techniquement portable, facilement utilisable, non invasif, et capable d'enregistrer des données de longue durée dans l'environnement naturel du patient. Le but consiste à évaluer une arthroplastie du genou (TKR) à partir des paramètres de marche fournis par une nouvelle méthode objective. De nouvelles solutions ont été proposées pour fusionner les données des accéléromètres et des gyroscopes afin de mesurer précisément les orientations des membres inférieurs et les angles des articulations. Ces méthodes utilisent une configuration minimale de capteur avec un seul module de capteur fixé sur chaque segment. Une modélisation considérant à la fois les aspects anatomiques et les contraintes biomécaniques est proposée. Dans les techniques proposées, les angles sont calculés sans intégration, ainsi on peut obtenir des angles absolus sans aucune dérive. Ces résultats ont été utilisés pour concevoir un système d'analyse de la marche fournissant des paramètres spatiotemporels, des courbes cinématiques et un outil de visualisation permettant d'animer un squelette virtuel effectuant les mêmes actions que le sujet. De plus, nous avons proposé un nouvel algorithme pour l'évaluation et la quantification de la coordination intersegmentaire pendant la marche. Le modèle de coordination détermine la dynamique des mouvements des membres inférieurs et illustre les synergies cinématiques pour diverses vitesses de marche. Le modèle impose une relation entre les angles des articulations des membres inférieurs (hanches et genoux) pour paramétriser la dynamique de la locomotion pour chaque individu. Il fournit des scores de coordination compris entre 0 et 10 pour diverses vitesses de marche. L'intégration de différents outils d'analyse tels que la décomposition harmonique, l'analyse par composants principaux et les réseaux de neurones artificiels a permis de simplifier la haute dimensionnalité, la dépendance temporelle et les relations non linéaires des patterns de la marche. Afin de montrer l'efficacité des méthodes conçues dans l'évaluation des résultats, nous avons considéré une étude clinique où les résultats de deux types de prothèses de genou ont été comparés. Nous avons entrepris une étude randomisée comprenant 54 patients pour évaluer des résultats de TKR entre les patients portant des prothèses du genou à plateau mobile et articulé. Les patients ont été examinés avant l'opération, puis 6 semaines, 3 mois, 6 mois et 1 an après l'opération. Diverses analyses statistiques ont été réalisées pour comparer les résultats des deux groupes. En conclusion, nous avons fourni des critères objectifs, en utilisant l'analyse ambulatoire de la marche pour évaluer le rétablissement fonctionnel après une arthroplastie totale du genou. Nous avons montré également une différence significative entre les deux groupes, là où l'évaluation clinique standard ne pouvait pas détecter une telle différence.