A method of estimation of relevant trunk control parameters for cerebral palsy rehabilitation in children during independent walking based on inertial measurement unit data

Abstract

Resumen La parálisis cerebral (CP) es una discapacidad del desarrollo infantil que genera un impacto en la capacidad de moverse y caminar. Algunos estudios biomecánicos han desarrollado en el análisis de marcha de niños con CP que caminan de forma independiente, estimando parámetros que cuantifican el rendimiento del movimiento usando unidades de medición inercial (IMU). No obstante, solo una investigación ha proporcionado información acerca de la comparación antes y después del tratamiento fisioterapéutico en niños con CP. Un estudio de viabilidad se está llevando a cabo por la DRK-Kinderklinik en Siegen para dar prueba del concepto acerca de la mejora del control postural después de un bloque intensivo de terapia Vojta. Para este estudio, seis niños con CP y seis niños con desarrollo típico (TD) realizaron pruebas de marcha de 5 metros ida y vuelta, tres veces, usando sensores inerciales en el esternón, lumbar y en el dorso de los pies. El objetivo de esta investigación es identificar los cambios en el rendimiento del balance del tronco en la marcha de niños con CP mediante un análisis de los datos inerciales. Esta información fue analizada en los dominios de tiempo y frecuencia, y con ella, parámetros de control del tronco fueron identificados y cuantificados. El algoritmo de MATLAB desarrollado consiste en una detección automática de caminata y giros, una detección parcialmente automática de los ciclos de marcha, y la estimación de parámetros de la marcha en los dominios de tiempo y frecuencia. Cuatro grupos de parámetros fueron evaluados: espaciotemporal, suavidad, armonicidad y movimiento angular. Los parámetros espaciotemporales son la velocidad, cadencia, tiempo de paso y número de pasos. Los parámetros de suavidad son la media cuadrática (RMS) y el coeficiente de atenuación (AC) de las aceleraciones por cada eje. La relación armónica (HR) evalúa la armonicidad. El movimiento angular fue determinado por los ángulos absolutos del esternón y la columna lumbar por eje, así como los ángulos relativos entre ambas posiciones. Después de la terapia Vojta, el único parámetro de la marcha que varía para todos los niños con CP evaluados es el mediolateral (ML) AC. Asimismo, cinco de los seis niños presentaron una variación en el ángulo roll del esternón. Cuatro niños mostraron una variación en la ML RMS del esternón, ML HR del esternón y lumbar, anteroposterior (AP) RMS del lumbar, vertical (VT) AC, y el ángulo pitch relativo. Sin embargo, la evaluación de solo un parámetro provee información incompleta, por lo tanto, un grupo de parámetros debe ser analizado.Cerebral palsy (CP) is an infantile development disability that has an impact on the ability to walk or move. Some biomechanical studies concentrated on the gait analysis of children with CP have been conducted and estimated parameters, which quantify the performance of the movement using inertial measurement units (IMU) during independent walking. However, only one investigation has given information about the comparison before and after physiotherapeutic treatment by children with CP. A feasibility study is conducted by the DRK-Kinderklinik Siegen to provide proof of the concept that improvement in trunk postural control following an intensive block of Vojta therapy. For this thesis, six children with CP and six in age and gender matched typically developing (TD) children performed a 5 m walking test back and forth three times, while wearing inertial sensors on sternum, lumbar and feet. The aim of this thesis is to identify changes in the performance of the trunk balance in the gait of children with CP by analysis of the IMU data. This data was analyzed in time and frequency domain and trunk control parameters were identified and quantified. The MATLAB-algorithm consists of an automatic walk and turn detection, a partially automatic gait cycle detection and the estimation of gait parameters in time and frequency domain. Four groups of parameters were evaluated: spatiotemporal, smoothness, harmonicity and angular motion. Spatiotemporal parameters are speed, cadence, step time, number of steps. Smoothness parameters are root mean square (RMS) and the attenuation coefficient (AC) of accelerations per axis. The harmonic ratio (HR) rates the Harmonicity. Angular motion was determined by the absolute angles per axis of the sternum and lumbar spine, as well as the relative angles from both positions. Following Vojta therapy, the mediolateral (ML) AC is the sole parameter that varies for all the evaluated children with CP. In addition, five of the six children exhibited a variation in the sternum roll angle. Meanwhile, four children exhibited a variation in the sternum ML RMS, sternum and lumbar ML HR, lumbar AP RMS, vertical (VT) AC, and the relative pitch angle. However, the evaluation of only one parameter provides incomplete information, thus, a group of parameters must be analyzed.Zerebralparese (CP) ist eine frühkindliche Erkrankung, welche die Bewegung und das Gleichgewicht beeinträchtigt. Es wurden verschiedene biomechanische Studien durchgeführt, die sich auf die Ganganalyse bei Kindern mit CP konzentrierten und Parameter schätzten, die die Leistung der Bewegung unter Verwendung von Inertialmesseinheiten (IMU) während des eigenständigen Gehens quantifizieren. Es gibt jedoch nur eine Untersuchung, die Aufschluss über den Vergleich vor und nach einer physiotherapeutischen Behandlung bei Kindern mit CP gibt. Die DRK-Kinderklinik Siegen führt eine Machbarkeitsstudie durch, um den Nachweis zu erbringen, dass sich die Rumpfhaltungskontrolle nach einem intensiven Block Vojta- Therapie verbessert. Für diese Arbeit absolvierten sechs Kinder mit CP und sechs altersund geschlechtsäquivalente Kinder mit normaler Entwicklung (TD) dreimal hin und her einen 5 m-Gehtest, während IMU am Sternum, im Lendenbereich und auf den Füßen getragen werden. Das Ziel dieser Masterarbeit besteht darin Veränderungen des Rumpfgleichgewichts im Gang von Kindern mit CP anhand von IMU-Daten zu identifizieren. Dafür wurden die Daten im Zeit- und Frequenzbereich analysiert und Parameter für die Bewertung der Rumpfhaltungskontrolle identifiziert und quantifiziert. Der MATLAB-Algorithmus besteht aus einer automatischen Lauf- und Drehungserkennung, einer teilautomatischen Gangzykluserkennung und der Schätzung von Gangparametern im Zeit- und Frequenzbereich. Die Bewegung wurde anhand von vier Gruppen von Parametern bewertet. Räumlich-zeitliche Parameter sind die Geschwindigkeit, Gleichschritt, Schrittzeit und Anzahl der Schritte. Glättungsparameter sind der quadratische Mittelwert (RMS) und der Dämpfungskoeffizient (AC) der Beschleunigungen pro Achse. Mittels Oberschwingungsverhältnis (HR) bewertet die Harmonizität. Die Rotationsbewegung wird durch die absoluten Winkel pro Achse des und der Lendenwirbelsäule sowie durch die relativen Winkel aus beiden Positionen bestimmt. Nach der Vojta-Therapie ist der mediolaterale (ML) AC der einzige Parameter, der sich bei allen untersuchten Kindern mit CP verändert. Außerdem wiesen fünf der sechs Kinder eine Veränderung des Sternum-Rollwinkels auf. Vier Kinder wiesen eine Veränderung des ML RMS des Sternums, des ML HR des Sternums und der Lendenwirbelsäule, des AP RMS der Lendenwirbelsäule, des vertikalen (VT) AC und des relativen Nickwinkels auf. Die Auswertung nur eines Parameters liefert jedoch nur unvollständige Informationen, so dass eine Gruppe von Parametern analysiert werden muss.