Clinical Gait Analysis: using knowledge discovery in databases to aid in the clinical interpretation of toe-walking

Analyse Quantifiée de la Marche : extraction de connaissances à partir de données pour l'aide à l'interprétation clinique de la marche digitigrade

Stéphane Armand (1)

1 LAMIH - Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'Informatique industrielles et Humaines - UMR 8201

Clinical Gait Analysis (CGA) is used to identify and quantify gait deviations from biomechanical data. Interpreting CGA, which provides the explanations for the identified gait deviations, is a complex task. Toe-walking is one of the most common gait deviations, and identifying its causes is difficult. This research had for objective to provide a support tool for interpreting toe-walker CGAs. To reach this objective, a Knowledge Discovery in Databases (KDD) method combining unsupervised and supervised machine learning is used to extract objectively intrinsic and discriminant knowledge from CGA data. The unsupervised learning (fuzzy c-means) allowed three toe-walking patterns to be identified from ankle kinematics extracted from a database of more than 2500 CGA (Institut Saint-Pierre, Palavas, 34). The supervised learning was employed to explain these three gait patterns through clinical measurement using induced rules from fuzzy decision trees. The most significant and interpretable rules (12) were selected to create a knowledge base that has been validated in terms of the literature and experts. These rules can be used to facilitate the interpretation of toe-walker CGA data. This research opens several prospective paths of investigation, ranging from the development of a generic method based on the proposed method for studying movement to the creation of a pathologic gait simulator.

L'Analyse Quantifiée de la Marche (AQM) est un examen permettant d'identifier et de quantifier les défauts de marche d'un patient à partir de données biomécaniques. L'interprétation de cet examen, conduisant à l'explication des défauts de marche, est ardue. Parmi ces défauts, la marche digitigrade est un des plus courants et pour lequel l'identification des causes demeure difficile. Ce travail propose de fournir une aide à l'interprétation des données de l'AQM pour la marche digitigrade. Afin d'atteindre cet objectif, une méthode d'Extraction de Connaissances à partir de Données (ECD) est utilisée en combinant un apprentissage automatique non-supervisé et supervisé, pour extraire objectivement des connaissances intrinsèques et discriminantes des données de l'AQM. L'apprentissage non-supervisé (c-moyennes floues) a permis d'identifier trois patrons de marche digitigrade à partir de la cinématique de la cheville provenant d'une base de données de plus de 2500 AQM (Institut Saint-Pierre, Palavas, 34). L'apprentissage supervisé est utilisé pour expliquer ces trois patrons de marche par des mesures cliniques sous la forme de règles induites à partir d'arbres de décision flous. Les règles les plus significatives et interprétables (12) sont sélectionnées pour créer une base de connaissances qui est validée au regard de la littérature et des experts. Ces règles peuvent servir d'aide à l'interprétation des données de l'AQM pour la marche digitigrade. Ce travail ouvre différentes perspectives de recherche allant de la généralisation de la méthode utilisée à la création d'un simulateur de marche pathologique.

Mots clés: Clinical Gait Analysis; human gait; toe-walking; Knowledge Discovery in Database; machine learning; interpretation support; fuzzy c-means; fuzzy decision trees; fuzzy rules; explanation

Mots clés: Analyse Quantifiée de la Marche; marche humaine; marche digitigrade; Extraction de Connaissances à partir de Données; apprentissage automatique; aide à l'interprétation; c-moyennes floues; arbres de décision flous; règles floues; explication; classification.; classification

Domaines: Sciences du Vivant [q-bio]

Stéphane Armand. Analyse Quantifiée de la Marche : extraction de connaissances à partir de données pour l'aide à l'interprétation clinique de la marche digitigrade. Sciences du Vivant [q-bio]. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010618⟩