Instrumentation of a cane to detect and prevent falls

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)The number of falls is growing as the main cause of injuries and deaths in the geriatric community. As a result, the cost of treating the injuries associated with falls is also increasing. Thus, the development of fall-related strategies with the capability of real-time monitoring without user restriction is imperative. Due to their advantages, daily life accessories can be a solution to embed fall-related systems, and canes are no exception. Moreover, gait assessment might be capable of enhancing the capability of cane usage for older cane users. Therefore, reducing, even more, the possibility of possible falls amongst them. Summing up, it is crucial the development of strategies that recognize states of fall, the step before a fall (pre-fall step) and the different cane events continuously throughout a stride. This thesis aims to develop strategies capable of identifying these situations based on a cane system that collects both inertial and force information, the Assistive Smart Cane (ASCane). The strategy regarding the detection of falls consisted of testing the data acquired with the ASCane with three different fixed multi-threshold fall detection algorithms, one dynamic multi-threshold and machine learning methods from the literature. They were tested and modified to account the use of a cane. The best performance resulted in a sensitivity and specificity of 96.90% and 98.98%, respectively. For the detection of the different cane events in controlled and real-life situations, a state-of-the-art finite-state-machine gait event detector was modified to account the use of a cane and benchmarked against a ground truth system. Moreover, a machine learning study was completed involving eight feature selection methods and nine different machine learning classifiers. Results have shown that the accuracy of the classifiers was quite acceptable and presented the best results with 98.32% of overall accuracy for controlled situations and 94.82% in daily-life situations. Regarding pre-fall step detection, the same machine learning approach was accomplished. The models were very accurate (Accuracy = 98.15%) and with the implementation of an online post-processing filter, all the false positive detections were eliminated, and a fall was able to be detected 1.019s before the end of the corresponding pre-fall step and 2.009s before impact.O número de quedas tornou-se uma das principais causas de lesões e mortes na comunidade geriátrica. Como resultado, o custo do tratamento das lesões também aumenta. Portanto, é necessário o desenvolvimento de estratégias relacionadas com quedas e que exibam capacidade de monitorização em tempo real sem colocar restrições ao usuário. Devido às suas vantagens, os acessórios do dia-a-dia podem ser uma solução para incorporar sistemas relacionados com quedas, sendo que as bengalas não são exceção. Além disso, a avaliação da marcha pode ser capaz de aprimorar a capacidade de uso de uma bengala para usuários mais idosos. Desta forma, é crucial o desenvolvimento de estratégias que reconheçam estados de queda, do passo anterior a uma queda e dos diferentes eventos da marcha de uma bengala. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver estratégias capazes de identificar as situações anteriormente descritas com base num sistema incorporado numa bengala que coleta informações inerciais e de força, a Assistive Smart Cane (ASCane). A estratégia referente à deteção de quedas consistiu em testar os dados adquiridos através da ASCane com três algoritmos de deteção de quedas (baseados em thresholds fixos), com um algoritmo de thresholds dinâmicos e diferentes classificadores de machine learning encontrados na literatura. Estes métodos foram testados e modificados para dar conta do uso de informação adquirida através de uma bengala. O melhor desempenho alcançado em termos de sensibilidade e especificidade foi de 96,90% e 98,98%, respetivamente. Relativamente à deteção dos diferentes eventos da ASCane em situações controladas e da vida real, um detetor de eventos da marcha foi e comparado com um sistema de ground truth. Além disso, foi também realizado um estudo de machine learning envolvendo oito métodos de seleção de features e nove classificadores diferentes de machine learning. Os resultados mostraram que a precisão dos classificadores foi bastante aceitável e apresentou, como melhores resultados, 98,32% de precisão para situações controladas e 94.82% para situações do dia-a-dia. No que concerne à deteção de passos pré-queda, a mesma abordagem de machine learning foi realizada. Os modelos foram precisos (precisão = 98,15%) e com a implementação de um filtro de pós-processamento, todas as deteções de falsos positivos foram eliminadas e uma queda foi passível de ser detetada 1,019s antes do final do respetivo passo de pré-queda e 2.009s antes do impacto