Fall prevention strategy for an active orthotic system

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ferreira, Rafael Jorge Neto
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/79823
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (especialização em Eletrónica Médica)
id RCAP_9940fe044a2055d94f4e4e95d4592678
oai_identifier_str oai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/79823
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Fall prevention strategy for an active orthotic systemQuedas induzidas por slipsBiomecânica do slipPrevenção de quedasAvaliação do risco de quedaCentral Pattern GeneratorsDeteção de perturbações na marchaSlip-induced fallsSlip biomechanicsFall preventionFall risk assessmentGait perturbation detectionEngenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (especialização em Eletrónica Médica)Todos os anos, são reportadas cerca de 684,000 quedas fatais e 37.3 milhões de quedas não fatais que requerem atenção médica, afetando principalmente a população idosa. Assim, é necessário identificar eficientemente indivíduos com alto risco de queda, a partir da população alvo idosa, e prepará los para superar perturbações da marcha inesperadas. Uma estratégia de prevenção de queda capaz de eficientemente e atempadamente detetar e contrariar os eventos de perdas de equilíbrio (PDE) mais frequentes pode reduzir o risco de queda. Como slips foram identificados como a causa mais prevalente de quedas, estes eventos devem ser abordados como foco principal da estratégia. No entanto, há falta de estratégias de prevenção de quedas por slip. Esta dissertação tem como objetivo o design de uma estratégia de prevenção de quedas de slips baseada na conceção das etapas de atuação e deteção. A estratégia de atuação foi delineada com base na resposta biomecânica humana a slips, onde o joelho da perna perturbada (leading) apresenta um papel proeminente para contrariar LOBs induzidas por slips. Quando uma slip é detetada, a estratégia destaca uma ortótese de joelho que providencia um torque assisstivo para prevenir a queda. A estratégia de deteção considerou as propriedades atrativas dos controladores Central Pattern Generator (CPG) para prever parâmetros da marcha. Algoritmos baseados em threshold monitorizam o erro de previsão do CPG, que aumenta após uma perturbação inesperada na marcha, para a deteção de slips. O ângulo do joelho e a velocidade angular da canela foram selecionados como os parâmetros de monitorização da marcha. Um protocolo experimental concebido para provocar perturbações de slip a sujeitos humanos permitiu a recolha de dados destas variáveis para posteriormente validar o algoritmo de deteção de perturbações. Algoritmos CPG foram capazes de produzir aproximações aceitáveis dos sinais de marcha em estado estacionário do ângulo do joelho e da velocidade angular da canela com sucesso. Além disso, o algoritmo de threshold adaptativo detetou LOBs induzidas por slips eficientemente. A melhor performance global foi obtida usando este algoritmo para monitorizar o ângulo do joelho, que detetou quase 80% (78.261%) do total de perturbações com um tempo médio de deteção (TMD) de 250 ms. Além disso, uma média de 0.652 falsas perturbações foram detetadas por cada perturbação corretamente identificada. Estes resultados sugerem uma performance aceitável de deteção de perturbações do algoritmo, de acordo com os requisitos especificados para a deteção.Every year, an estimated 684,000 fatal falls and 37.3 million non-fatal falls requiring medical attention are reported, mostly affecting the older population. Thus, it is necessary to effectively screen high fall risk individuals from targeted elderly populations and prepare them to successfully overcome unexpected gait perturbations. A fall prevention strategy capable of effectively and timely detect and counteract the most frequent loss of balance (LOB) events may reduce the fall risk. Since slips were identified as the main contributors to falls, these events should be addressed as a main focus of the strategy. Nonetheless, there is a lack of slip-induced fall prevention strategies. This dissertation aims the design of a slip-related fall prevention strategy based on the conception of an actuation and a detection stage. The actuation strategy was delineated based on the human biomechanical reactions to slips, where the perturbed (leading) leg’s knee joint presents a prominent role to counteract slip-induced LOBs. Thereby, upon the detection of a slip, this strategy highlighted a knee orthotic device that provides an assistive torque to prevent the falls. The detection strategy considered the attractive properties of biological-inspired Central Pattern Generator (CPG) controllers to predict gait parameters. Threshold-based algorithms monitored the CPG’s prediction error produced, which increases upon an unexpected gait perturbation, to perform slip detection. The knee angle and shank angular velocity were selected as the monitoring gait parameters. An experimental protocol designed to provoke slip perturbations to human subjects allowed to collect data from these variables to further validate the perturbation detection algorithm. CPG algorithms were able to successfully produce acceptable estimations of the knee angle and shank angular velocity signals during steady-state walking. Furthermore, an adaptive threshold algorithm effectively detected slip-induced LOBs. The best overall performance was obtained using this algorithm to monitor the knee angle from the perturbed leg, which detected almost 80% (78.261%) of the total perturbations with a mean detection time (MDT) of 250 ms. In addition, a mean of 0.652 false perturbations were detected for each correct perturbation identified. These results suggest an acceptable perturbation detection performance of the algorithm implemented in light of the detection requirements specified.Santos, CristinaFigueiredo, JoanaUniversidade do MinhoFerreira, Rafael Jorge Neto2022-04-042022-04-04T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/79823eng203010930info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-18T01:16:21Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/79823Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T18:46:55.165552Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Fall prevention strategy for an active orthotic system
title Fall prevention strategy for an active orthotic system
spellingShingle Fall prevention strategy for an active orthotic system
Ferreira, Rafael Jorge Neto
Quedas induzidas por slips
Biomecânica do slip
Prevenção de quedas
Avaliação do risco de queda
Central Pattern Generators
Deteção de perturbações na marcha
Slip-induced falls
Slip biomechanics
Fall prevention
Fall risk assessment
Gait perturbation detection
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica
title_short Fall prevention strategy for an active orthotic system
title_full Fall prevention strategy for an active orthotic system
title_fullStr Fall prevention strategy for an active orthotic system
title_full_unstemmed Fall prevention strategy for an active orthotic system
title_sort Fall prevention strategy for an active orthotic system
author Ferreira, Rafael Jorge Neto
author_facet Ferreira, Rafael Jorge Neto
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Santos, Cristina
Figueiredo, Joana
Universidade do Minho
dc.contributor.author.fl_str_mv Ferreira, Rafael Jorge Neto
dc.subject.por.fl_str_mv Quedas induzidas por slips
Biomecânica do slip
Prevenção de quedas
Avaliação do risco de queda
Central Pattern Generators
Deteção de perturbações na marcha
Slip-induced falls
Slip biomechanics
Fall prevention
Fall risk assessment
Gait perturbation detection
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica
topic Quedas induzidas por slips
Biomecânica do slip
Prevenção de quedas
Avaliação do risco de queda
Central Pattern Generators
Deteção de perturbações na marcha
Slip-induced falls
Slip biomechanics
Fall prevention
Fall risk assessment
Gait perturbation detection
Engenharia e Tecnologia::Engenharia Médica
description Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (especialização em Eletrónica Médica)
publishDate 2022
dc.date.none.fl_str_mv 2022-04-04
2022-04-04T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/79823
url https://hdl.handle.net/1822/79823
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv 203010930
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799132225608876032

Registros relacionados