Human locomotion analysis, classification and modeling of normal and pathological vertical ground reaction force signals in elderly

par Rami Alkhatib

Thèse de doctorat en Image, Vision, Signal

Sous la direction de Mohamed El Badaoui.

Soutenue le 12-07-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (Etablissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'analyse des signaux et processus industriels (laboratoire) .

Le président du jury était Francois Guillet.

Le jury était composé de Mohamed El Badaoui, Guy Carrault, Amine Naït-Ali, Emilie Crawford Achour, Aly Chkeir, Christophe Corbier, Mohamad Diab.

Les rapporteurs étaient Guy Carrault, Amine Naït-Ali.

  • Titre traduit

    Analyse, classification et modélisation de la locomotion humaine : application a des signaux GRF sur une population âgée


  • Résumé

    La marche est définie par des séquences de gestes cycliques et répétées. Il a été déjà montré que la vitesse et la variabilité de ces séquences peuvent révéler des aptitudes ou des défaillances motrices. L’originalité de ce travail est alors d’analyser et de caractériser les foulées de sujets âgés à partir des signaux de pression issus de semelles instrumentées lors de la marche, au moyen d’outils de traitement du signal. Une étude préliminaire, sur les signaux de pression générés lors de la marche, nous a permis de mettre en évidence le caractère cyclo-stationnaire de ces signaux. Ces paramètres sont testées sur une population de 47 sujets. Tout d'abord, nous avons commencé par un prétraitement des signaux et nous avons montré dans la première de cette thèse que le filtrage peut éliminer une partie vitale du signal. C’est pourquoi un filtre adaptatif basé sur la décomposition en mode empirique a été conçu. Les points de retournement ont été filtrés ensuite en utilisant une technique temps-fréquence appelée «synochronosqueezing». Nous avons également montré que le contenu des signaux de force de marche est fortement affecté par des paramètres inquantifiables tels que les tâches cognitives qui les rendent difficiles à normaliser. C’est pourquoi les paramètres extraits de nos signaux sont tous dérivées par une comparaison inter-sujet. Par exemple, nous avons assimilé la différence dans la répartition de poids entre les pieds. Il est également recommandé dans ce travail de choisir le centre des capteurs plutôt que de compter sur la somme des forces issues du réseau de capteurs pour la classification. Ensuite, on a montré que l’hypothèse de la marche équilibrée et déséquilibrée peut améliorer les résultats de la classification. Le potentiel de cette hypothèse est montré à l'aide de la répartition du poids ainsi que le produit de l'âge × vitesse dans le premier classificateur et la corrélation dans le second classificateur. Une simulation de la série temporelle de VGRF basé sur une version modifiée du modèle de Markov non stationnaire, du premier ordre est ensuite dérivée. Ce modèle prédit les allures chez les sujets normaux et suffisamment pour les allures des sujets de Parkinson. On a trouvé que les trois modes: temps, fréquence et espace sont très utiles pour l’analyse des signaux de force, c’est pourquoi l’analyse de facteurs parallèles est introduite comme étant une méthode de tenseur qui peut être utilisée dans le futur


  • Résumé

    Walking is defined as sequences of repetitive cyclic gestures. It was already shown that the speed and the variability of these sequences can reveal abilities or motorskill failures. The originality of this work is to analyze and characterize the steps of elderly persons by using pressure signals. In a preliminary study, we showed that pressure signals are characterized by cyclostationarity. In this study, we intend to exploit the nonstationarity of the signals in a search for new indicators that can help in gait signal classification between normal and Parkinson subjects in the elderly population. These parameters are tested on a population of 47 subjects. First, we started with preprocessing the vertical ground reaction force (VGRF) signals and showed in this first part of the thesis that filtering can remove a vital part of the signal. That is why an adaptive filter based on empirical mode decomposition (EMD) was built. Turning points are filtered using synochronosqueezing of time-frequency representations of the signal. We also showed that the content of gait force signals is highly affected by unquantifiable parameter such as cognitive tasks which make them hard to be normalized. That is why features being extracted are derived from inter-subject comparison. For example we equated the difference in the load distribution between feet. It is also recommended in this work to choose the mid-sensor rather than relying on summation of forces from array of sensors for classification purposes. A hypothesis of balanced and unbalanced gait is verified to be potential in improving the classification accuracy. The power of this hypothesis is shown by using the load distribution and Age×Speed in the first classifier and the correlation in the second classifier. A time series simulation of VGRF based on a modified version of nonstationary- Markov model of first order is derived. This model successfully predict gaits in normal subjects and fairly did in Parkinson’s gait. We found out that the three modes: time, frequency and space are helpful in analyzing force signals that is why parallel factor analysis is introduced as a tensor method to be used in a future work


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