Human movement analysis by means of accelerometers : aplication to human gait and motor symptoms of Parkinson's Disease

Abstract

This thesis presents the original contributions of the author on the field of human movement analysis from signals captured by accelerometers. These sensors are capable of converting acceleration from some body parts into electric signals for further analysis. The progressive refinement and miniaturization of accelerometers has allowed the development of minimally invasive devices that can be used to ambulatory monitor human movements during daily live activities. The study's contributions mainly fall under two heads: first, the analysis of movement in Parkinson's disease (PD); and, second, the relationship between accelerometer signals and characteristics of gait. To this end, new methods for obtaining speed and length of strides and, also, for identifying people have been developed. In all these studies, a single sensor fixed to the patient's waist has been used. PD is a neurodegenerative disease characterized by movement alterations. The main motor symptoms of PD are 1) tremor, 2) bradykinesia or slowness of movements, 3) freezing of gait and 4) dyskinesia or abnormal involuntary movements. The first three symptoms primarily occur when the medication has not yet reached an effective therapeutic effect. These periods are commonly known as OFF periods or OFF motor state. On the other hand, periods when the patient is suitably responding to the medication are known as ON periods or ON motor state. Dyskinesias mainly appear when the medication blood level is excessive. Both dyskinesias and OFF motor states are caused by a defect in the medication administration. In this sense, a wearable device capable of detecting and recording dyskinesias and OFF periods represents an important tool that enables clinics to more accurately prescribe the medication regimen of a patient. The work done in the field of PD consisted in developing algorithms able to detect dyskinesias and both ON and OFF periods. These algorithms have been adapted to provide real-time detection, which enabled their employment in a pilot study. This clinical study has tested, for the first time, the automatic adjustment of medication performed by means of a subcutaneous infusion pump according to the dyskinesias appearance and motor state of PD patients. The experience gained in the treatment of accelerometric signals from PD has led to contribute in the field of gait analysis. First, new methods for obtaining speed and length of strides from a single sensor fixed to the patient's waist have been obtained. Not only the PD can benefit from this study, but other diseases such as diabetes or some orthopedotraumatological diseases can also benefit from its results. Finally, using some of the techniques of the previous studies, another important contribution has been made in the field of biometric person identification. The work presented shows how the signal obtained from a single accelerometer located at the waist not only enables the extraction of some gait characteristics but also permits the identification of a person through its gait pattern. The main theoretical contribution of this thesis has been the development of techniques based on the reconstruction of attractors. It has been shown that the usage of only a small number of features that characterize the reconstructed attractor obtained from a time series of acceleration measurements makes possible the extraction of important parameters of gait and the person identification.

La tesis que este documento recoge es una aportaci on al an alisis del movimiento humano a partir de las señales capturadas por aceler ometros. Estos sensores permiten convertir la aceleraci on producida por algunas partes del cuerpo en señales el ectricas susceptibles de un an alisis posterior. El progresivo perfeccionamiento y miniaturización de los aceler ometros ha permitido construir sensores poco invasivos y que pueden ser usados de forma ambulatoria para registrar los movimientos realizados en las actividades de la vida diaria del sujeto. La tesis se focaliza en dos ambitos. El primero, fundamentalmente cl inico, se ha centrado en el an alisis del movimiento en enfermos de la Enfermedad de Parkinson (EP). El segundo ambito, m as general, ha consistido en relacionar las señales acelerom etricas con caracter sticas de la marcha. Con este fin, se han desarrollado m etodos para la obtenci on de la velocidad de la marcha y la longitud del paso, as í como para la identificaci on de personas. En ambos ambitos se ha empleado un unico aceler ometro situado en un lado de la cintura. La EP es una enfermedad neurodegenerativa que produce primordialmente trastornos del movimiento en los pacientes que la sufren. Los principales sí ntomas motores de la enfermedad son 1) los temblores, 2) la lentitud de movimientos o bradicinesia, 3) la congelaci on de la marcha (freezing of gait FoG) y 4) los movimientos involuntarios o discinesias. Los tres primeros s ntomas aparecen cuando la medicaci on no ha alcanzado un efecto terape utico efectivo. Estos periodos se conocen habitualmente como per odo o estado motor OFF. Los periodos en los cuales la medicaci on hace efecto y los pacientes presentan una movilidad normal (o casi normal) son los periodos o estados motores ON. Las discinesias aparecen principalmente cuando el nivel de medicaci on en sangre es excesivo. Tanto las discinesias como los estados OFF son consecuencia de un defecto en la administraci on de la medicaci on. Un dispositivo no invasivo que detecte y registre las discinesias y ambos periodos ON y OFF supone una importante herramienta que permite al m edico prescribir con mayor precisi on la dosis de medicamento adecuada a su paciente. El trabajo realizado en esta tesis en el ambito de la EP ha consistido en el desarrollo de algoritmos de detecci on de discinesias y periodos OFF. Estos algoritmos han sido adaptados para proporcionar una detecci on en tiempo real, de forma que se han empleado ya en un estudio piloto en los que el ajuste de medicaci on suministrada por una bomba de infusi on subcut anea se realiza de forma autom atica en funci on de la presencia de discinesias y el estado motor del paciente. La experiencia ganada en el tratamiento de la señal acelerom etrica proveniente de enfermos de Parkinson ha permitido contribuir en el campo del an alisis de la marcha y realizar una aportaci on que relaciona varios par ametros de la misma con la señal que suministra un unico aceler ometro situado en la cintura. No solo la EP puede bene ciarse de este estudio, sino tambi en otras enfermedades como la Diabetes o algunas enfermedades ortop edicas y traumatol ogicas pueden aprovecharse de sus resultados. Por ultimo, usando algunas de las t ecnicas de los estudios anteriores, se ha realizado una importante contribuci on en el ambito de la identi caci on biom etrica de personas. Se ha puesto de mani esto que la señal proveniente de un unico aceler ometro situado en la cintura no solo permite obtener algunas de las caracter sticas de la marcha sino tambi en permite identi car a la persona a trav es del patr on de su marcha. La principal contribuci on te orica de esta tesis ha sido el desarrollo de t ecnicas basadas en la reconstrucci on de atractores. Se ha evidenciado que un n umero muy reducido de caracter sticas procedentes del atractor reconstruido a partir de una serie temporal de medidas de aceleraci on permite la extracci on de los par ametros de la marcha y la identi caci on de personas