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Gait analysis system for assessment of dynamic loading axis of the knee.

Department of Medical Robotics and Image Sciences, Division of Robotic Therapy, Osaka University Graduate School of Medicine, 2-2 Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japan.
Gait & Posture (Impact Factor: 2.3). 01/2005; 21(1):125-30. DOI: 10.1016/j.gaitpost.2004.01.002
Source: PubMed

ABSTRACT The purpose of this study was (1) to demonstrate a computer-assisted gait analysis system that can visualize the locus of the dynamic loading axis on the proximal tibia joint surface, and (2) to assess the accuracy of this system in a patient with bilateral knee osteoarthritis (OA). This system uses force plate data, CT skeletal structure data and motion capture data obtained from an infrared position sensor. The relative positions between bones and markers were used to calculate skeletal model movement based on movement of the markers. The locus of the dynamic loading axis on the knee joint was defined as the point on the proximal tibia joint surface that intersected with the loading axis of the lower limb, which passed through the centre of the femoral head and the centroid of multiple points surrounded by the distal tibia joint surface contour. To assess the accuracy of this system, open MRI was used to evaluate positions of skin markers against bones in six healthy volunteers. The locus in a patient was affected by differences between the varus knee with medial compartment OA on the non-operative side and the knee treated with high tibial osteotomy (HTO) on the opposite side. At knee flexion angles of 0 degrees, 15 degrees and 30 degrees, the mean value of measurement error for point locations on the locus was within 5.6% of joint width in the lateral direction (JWLD) on the proximal tibia joint. This system can provide clinically useful information for evaluation of the dynamic loading axis on the knee joint surface.

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    ABSTRACT: 2007-02-13 WEB公開 高知工科大学博士(工学) 平成18年9月29日授与 (甲第101号)
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    ABSTRACT: L'infirmité motrice cérébrale (IMC) est une pathologie résultante d'une lésion cérébrale qui atteint environ 4/1000 des nouveau-nés. Cette pathologie consiste en un trouble moteur dû à la contraction continue des muscles (spasticité) qui induit des raideurs musculaires évolutives avec l'âge engendrant des déformations osseuses. L'analyse quantifiée de la marche (AQM) permet d'objectiver et de mieux cibler les traitements orthopédiques. Cette thèse vise à enrichir l'AQM par une modélisation tridimensionnelle personnalisée du squelette et des muscles. L'AQM a été effectuée dans un laboratoire installé au Liban. Une base de données de sujets sains a été établie pour servir de référence à la compréhension des patterns de marche des patients. Une estimation des incertitudes liées aux paramètres de l'AQM a été effectuée, par étude de répétabilité et méthode de Monte Carlo, afin d'objectiver les comparaisons entre patients et sujets sains et entre données pré et post traitement. Une reconstruction 3D personnalisée du squelette en position debout a été effectuée par stéréoradiographie sous le système EOS® chez des enfants sains et IMC pour valider la faisabilité d'une telle technique. Des paramètres quantifiant les vices architecturaux ont été calculés et les incertitudes ont été estimées. Le recalage des structures osseuses durant la marche a été étudié grâce à la mise en place d'une cabine de stéréoradiographie au laboratoire d'analyse de la marche à Beyrouth. Des acquisitions IRM chez des sujets sains et un sujet IMC à Beyrouth ont permis d'explorer la faisabilité de la reconstruction 3D personnalisée des muscles des membres inférieurs en position couchée. La géométrie musculaire a été quantifiée en terme de longueurs, volumes et aires physiologiques. Une première approche de la reconstruction 3D des muscles en position debout a été réalisée en combinant les données de l'IRM et les structures osseuses obtenues par stéréoradiographie, permettant ainsi de calculer les rapports de longueurs entre corps musculaire et partie tendineuse. Ce travail permet d'analyser les anomalies de la marche à la lumière des déformations osseuses et musculaires pour une meilleure prise en charge thérapeutique des enfants IMC.
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    ABSTRACT: A proper gait assessment in patients with knee or hip injuries strongly determines the diagnosis and consequently the evolution of the pathology, the quality of life of implanted patients, and the overall costs involved. Among the different strategies to clinically assess gait, 3D optical tracking provides a reliable and objective evaluation. This method involves state-of-the-art image analysis that performs anatomical measurements upon bony landmarks identified by markers attached to the patient. We show how this technology can be used to perform patients diagnosis and follow-up by grouping the results of gait measurement with a competitive neural network where the number of clusters is automatically determined.
    Computational Intelligence and Bioinspired Systems, 8th International Work-Conference on Artificial Neural Networks, IWANN 2005, Vilanova i la Geltrú, Barcelona, Spain, June 8-10, 2005, Proceedings; 01/2005