Contribution au développement et à la validation de méthodes fondées sur la technologie embarquée pour l'analyse quantitative de la locomotion et la rééducation fonctionnelle de la personne amputée de membre inférieur

Contribution to the development and validation of wearable-sensor-based methodologies for gait assessment and rehabilitation of people with lower limb amputation

• Auteur / Autrice : Emeline Simonetti
• Direction : Hélène Pillet, Giuseppe Vannozzi, Joseph Bascou, Coralie Villa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique (AM)
• Date : Soutenance le 19/11/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM en cotutelle avec Universita degli studi di Roma "Foro Italico"
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Paris ; 2013-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Institution nationale des Invalides (France)
• Jury : Président / Présidente : Jean Paysant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Pillet, Giuseppe Vannozzi, Joseph Bascou, Coralie Villa, Laetitia Fradet, Thomas Robert, Carlo Frigo, Elena Bergamini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laetitia Fradet, Thomas Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique

Locomotion

Mots clés libres

Analyse quantifiée de la marche

Capteurs embarqués

Centre de masse

Équilibre dynamique

Symétrie

Personnes amputées de membre inférieur

Quantitative gait analysis

Wearable sensors

Center of mass

Dynamic balance

Symmetry

People with lower-Limb amputation

Résumé

Un des objectifs majeurs de la rééducation des personnes amputées de membre inférieur appareillées est le retour à une marche physiologique, efficace énergétiquement et minimisant le risque de chutes lié à la perte d’équilibre. Peu d’outils cliniques permettent aujourd’hui de quantifier ces aspects de la locomotion. L’émergence de capteurs embarqués miniaturisés offre des opportunités pour la description quantitative et écologique de la marche. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était de contribuer au développement de protocoles embarqués pour apporter des données quantitatives pertinentes lors de la rééducation à la marche des personnes amputées de membre inférieur. Deux approches complémentaires ont été adoptées. La première approche consiste à utiliser un modèle biomécanique du corps afin d’extraire des descripteurs quantifiés pertinents. Un protocole permettant d’estimer l’accélération et la vitesse instantanée du centre de masse à partir de 5 centrales inertielles a ainsi été proposé à partir d’une analyse préliminaire sur les données de marche de dix personnes amputées transfémorales et a été validé chez une personne amputée transfémorale. La seconde approche consiste à extraire des paramètres concis par traitement du signal des données brutes des capteurs. La fiabilité et la pertinence clinique de la quantification de tels paramètres pour caractériser la symétrie et l’équilibre de la marche ont été étudiées pour la première fois chez les personnes amputées de membre inférieur. L’ensemble des travaux produits au cours de cette thèse contribue ainsi au transfert vers la clinique des outils embarqués d’analyse du mouvement par l’identification de paramètres biomécaniques et cliniques pertinents et la validation d’algorithmes originaux permettant la quantification de la marche des amputés de membre inférieur.

One key objective during the rehabilitation of people with lower-limb amputation fitted with a prosthesis is the restoration of a physiological and energy-efficient gait pattern minimizing falling risks due to the loss of balance. Few practical tools are available to provide quantitative data to assist the follow-up of patients in the clinical routine. The development of wearable sensors offers opportunities to quantitatively and objectively describe gait in ecological situations. In this context, the aim of the thesis is to contribute to the development of wearable tools and protocols to support the functional rehabilitation of lower-limb amputees by providing clinically relevant quantitative data. Two complementary approaches have been implemented. The first approach consists in developing biomechanical models of the human body in order to retrieve biomechanically founded parameters. A protocol allowing to accurately estimate the body center of mass acceleration and instantaneous velocity has therefore been proposed based on gait data of ten people with transfemoral amputation and was validated in one person with transfemoral amputation. The second approach consists in identifying patterns in the signals measured by wearable sensors to extract concise descriptors of gait symmetry and dynamic balance. The clinical relevance and reliability of these descriptors have been investigated for the first time in people with lower-limb amputation. The work produced in the course of this thesis has contributed to the clinical transfer of wearable sensors into the clinical practice through the identification of clinically and biomechanically relevant parameters and the validation of original algorithms allowing to quantitatively describe the gait of lower-limb amputees.