Ecological measurement of knee kinematics from an instrumented orthosis : application to knee osteoarthritis
Mesure écologique de la cinématique du genou à partir d'une orthèse instrumentée : application à la gonarthrose
Résumé
Gait analysis is an essential component in the evaluation and monitoring of pathologies affecting locomotion. Among the metrics obtained, knee kinematics stands out as a crucial element in the understanding of gait disorders. To carry out these measurements, the use of an optoelectronic camera network is considered as the gold standard in the medical field. This tool will allow to obtain the kinematics of the patient's movement during functional tests. However, this motion capture system does not allow for the analysis of prolonged walking under ecological conditions, which limits the reliability of certain results on everyday movements. This limitation of ecological measurement on prolonged walking tests can be solved by the use of inertial measurement units which are small in size and without environmental restrictions. The primary objective of this thesis was to develop a method of ecological knee kinematics measurement from an instrumented knee brace with inertial measurement units. The secondary objective was to validate this method in patients with knee osteoarthritis during a six-minute walking test. Our first study validated a 6-minute walking test on a speed-controlled treadmill in order to perform a quantified analysis of a prolonged walk. Our second study focused on the measurement accuracy of the Ted Orthopedics instrumented knee brace. The knee kinematics of the brace were compared to a bone navigation system on functional movements commonly used by clinicians. This study showed satisfactory measurement accuracy when soft tissue artefacts were taken into account. However, the calibration method was found to be not very robust in correctly estimating the axes of rotation of the knee. In this context, the third study aimed to improve the measurement accuracy of the knee brace by implementing a new calibration method and using magnetometers to calculate knee kinematics. The results showed an improvement in accuracy with a measurement error of less than 3°. Nevertheless, magnetometers were not suitable for improving measurement accuracy in the laboratory. Finally, our last study applied the assessment of knee kinematics to a prolonged walking test in people with knee osteoarthritis. Our preliminary results showed an overall improvement in the quality of walking during the 6 minutes. This underlines the importance of performing gait assessments on prolonged tests to approximate the condition of the individual during their daily movements. Overall, our work shows the interest of using a motion capture system such as an instrumented knee brace, which is not cumbersome and does not restrict the environment, to monitor knee kinematics in an ecological condition. Future work on this subject would make it possible to propose better management of osteoarthritis thanks to regular monitoring of the functional condition of the knee.
L'analyse de la marche est une composante essentielle pour permettre l'évaluation et le suivi des pathologies affectant la locomotion. Parmi les métriques obtenues la cinématique du genou ressort comme un élément crucial dans la compréhension des troubles de la marche. Pour réaliser ces mesures, l'utilisation d'un réseau de caméras optoélectroniques est considéré comme le Gold Standard dans le milieu médical. Cet outils va permettre d'obtenir la cinématique de mouvement du patient durant des tests fonctionnels. Cependant, ce système de capture du mouvement ne permet pas de réaliser des analyses de marche prolongée en condition écologique ce qui limite la fiabilité de certains résultats sur des déplacements de la vie quotidienne. Cette limitation de mesure écologique sur des tests de marche prolongée peut être résolue grâce à l'utilisation de centrales inertielles qui sont peu encombrantes et sans restrictions d'environnement. L'objectif principal de ce travail de thèse était de développer une méthode de mesure écologique de la cinématique du genou à partir d'une orthèse instrumentée avec des centrales inertielles. L'objectif secondaire était de valider cette méthode chez des patients atteint de gonarthrose lors d'un test de marche de six minutes. Notre première étude a permis de valider la réalisation d'un test de marche de 6 minutes sur un tapis roulant asservi en vitesse pour pouvoir réaliser une analyse quantifiée d'une marche prolongée. Notre deuxième étude s'est portée sur la précision de mesure de la genouillère instrumentée Ted Orthopedics. La cinématique du genou de la genouillère a été comparée à un système de navigation osseux sur des mouvements fonctionnels couramment utilisé par des cliniciens. Cette étude a révélé une précision de mesure satisfaisante lorsqu'on prenait en compte les artefacts de tissus mous. Cependant, la méthode de calibration s'est montrée peu robuste pour estimer correctement les axes de rotation du genou. Dans ce cadre, la troisième étude visait à améliorer la précision de mesure de la genouillère via la mise en place d'une nouvelle méthode de calibration et l'utilisation des magnétomètres dans le calcul de la cinématique du genou. Les résultats ont montré une amélioration de la précision avec une erreur de mesure inférieure à 3°. Néanmoins, les magnétomètres n'étaient pas adaptés pour améliorer la précision de mesure en laboratoire. Enfin, notre dernière étude a permis de mettre en application l'évaluation de la cinématique du genou sur un test de marche prolongée chez des personnes présentant une arthrose du genou. Nos résultats préliminaires ont montré une amélioration globale de la qualité de la marche au cours de ces 6 minutes. Cela souligne l'importance de réaliser des évaluations de la marche sur des tests prolongés pour se rapprocher de la condition de l'individu durant ses déplacements quotidiens. Globalement, nos différents travaux montrent l'intérêt d'utiliser un système de capture du mouvement tel qu'une genouillère instrumentée, peu encombrant et sans restriction d'environnement, pour réaliser un monitoring de la cinématique du genou en condition écologique. De futurs travaux sur ce sujets permettraient de proposer une meilleure prise en charge de l'arthrose grâce à un monitoring régulier de la condition fonctionnelle du genou.
Origine : Version validée par le jury (STAR)