This paper has evaluated a new type of prosthetic foot, X-Balance, which aim was to facilitate the performance on uneven ground for the user. This study have performed gait analyzes with three prosthetic feet, the X-Balance, Flex-Foot and assure Ottobock9192 on flat and uneven surfaces using 3D analysis system QTM (Qualisys Track Manager) and associated force plates. During the project a prototype of a design that can perform a mechanical gait were manufactured. The prototype has then been used to fulfill the purpose and objective of this study which is to make different final sets that demonstrate differences between prosthetic feet. Gait analyses of individuals have also been performed to get an idea of what normal gait is. The reliability of the prototype was measured and compared to the study with individuals. By comparison, it could be established that the structure had a higher reliability than the individuals, thus making it easier to compare prosthetic feet against each other. There are no measurements to show that proves that the mechanical gait with the prototype has a high validity. The evaluation findings shows that Ottobock9192 reduce the forces in the Z- and Y-direction most and thus contributes to a gentler heel strike than the other two prosthetics. The results also shows that X-Balance allows greater flexibility in sideway direction (supination) and contributing to a more gentle and easier gait for the user once operate the prosthetic foot over an object with the medial part of the forefoot.

Sammanfattning Bakgrund: Perifer neuropati och polyneuropati är termer för att beskriva ett tillstånd hos individer där nerverna i det perifera nervsystemet är skadade och den motoriska samt somatosensoriska förmågan är förlorad. Ankelns motoriska kontroll är essentiell för förmågan till gång och för att bibehålla dynamisk stabilitet under gången. Vid behandling av individer med perifer neuropati används ofta en AFO för att förbättra gångförmågan. När kunskapen förbättras om vilka faktorer som påverkar gången samt hur kroppen biomekaniskt påverkas av hjälpmedlet är det till hjälp för att välja den mest fördelaktiga behandlingen. Syftet är att utvärdera hur ankelns kinematik samt kinetik i frontal- (Y) och sagittalplan (X) påverkas vid en situation där rörelse i ankeln tillåts samt vid en situation där rörelse i ankeln inte tillåts. Metod: För att studera ankelns kinematik samt kinetik använde vi oss av två interventioner på våra testpersoner. Vid en av interventionerna utförde testpersonerna en gånganalys med en dynamisk AFO (ToeOFF), där ankeln har utrymme för rörlighet. Vid den andra interventionen låstes testpersonernas ankel med gips med avsikt att tillåta så lite rörelse som möjligt i ankeln. Kinematisk samt kinetiska data samlades in från 5 friska unga vuxna individer, som ombads gå med en dynamisk AFO (ToeOFF) samt med en gipsad ankel i självvald hastighet. Datan samlades in med hjälp av gånganalys samt av programmen Visual 3D och Qualisys Track Manager. Den kinematiska datan kvantifierades av: ankelns vinkel i sagittal- (X) samt frontalplan (Y), och den kinetiska datan kvantifierades av: moment i ankeln både i sagittal- (X) och frontalplan (Y). Resultat: Studien visade en signifikant skillnad i den kinematiska samt den kinetiska datan vid jämförelse mellan de två interventionerna. Ankelns RoM var markant större med ToeOFF ortosen än med gips. Under gips interventionen genererades ett signifikant reducerat yttre plantar flekterande moment. Resultatet är menat att användas som en vägvisare för att optimera behandlingen av patienter med stabilitetsproblem i ankeln. Slutsats: Det finns en skillnad mellan gips-interventionen och ToeOFF-interventionen i ankelns kinematiska samt kinetiska data.

A measuring system Striton has been developed at the department of biomedicalengineering, University Hospital of Umeå, for motion analysis using motion sensors whichattaches to the patient’s lower body to assess the risk for potential neurological andmusculoskeletal damage. The measuring system is comprised of two motion sensor unitsand a remote control where data is gathered based on step height, step width, theorientation of the calves and step frequency. The motion sensor units which attach to thecalves are comprised of a MCU with a built in Wi-Fi module, a IMU and and time-of-flightsensors. Data is transferred through Wi-Fi and stored on a SD-card as CSV-files on theremote control which is comprised of a Raspberry Pi Zero WH running a Linux operatingsystem (Raspbian). The remote control also has the functions to initiate and complete ameasurement as well as mark an event. The extraction of data from the remote control toanother unit for analysis occurs through SSH and SFTP using third-party programs whichmay require technical knowledge. A unique software was designed specifically for Stritonfor the operating system Windows 10 using Visual Studio (2019) which provides thefunctions to connect to a predefined Wi-Fi access point as well as automatically reconnectto previously connected access point at shutdown, connect through SFTP, list the savedfiles on the remote control, perform file operations, synchronize the date and time on theremote control as well as change settings in the software which is saved locally in a settingsfile. The user interface is minimalistic with the intention to reduce complexity and timerequirement to extract the data from the measuring system Striton. / Ett mätsystem Striton har utvecklats av CMTS, Medicinsk Teknik – FoU på NorrlandsUniversitetssjukhus för rörelseanalys med hjälp av rörelsesensorer som fästs på patientensunderben för att bedöma en potentiell neurologisk samt muskuloskeletal skada.Mätsystemet består av två sensorenheter samt en fjärrkontroll där data samlas in baseratpå höjd av steg, stegbredd, underbenens orientering samt stegfrekvens. Sensorenheternasom fästs på underbenen består av en MCU med inbyggd Wi-Fi modul, IMU och time-offlight sensorer. Data förs över via Wi-Fi och lagras på ett SD-kort i form av CSV-filer påfjärrkontrollen beståendes av en Raspberry Pi Zero WH som driver ett Linuxoperativsystem (Raspbian). Fjärrkontrollen har även funktionerna att kunna starta ochstoppa en mätning samt markera en händelse. Extrahering av data från fjärrkontrollen tillen annan enhet för analys sker via SSH och SFTP med hjälp av tredjepartsprogram som kankräva teknisk kunskap. En unik programvara designades specifikt för Striton tilloperativsystemet Windows 10 i miljön Visual Studio (2019) och tillhandahålleregenskaperna att kunna ansluta till en bestämd Wi-Fi åtkomstpunkt samt automatisktåteransluta till föregående åtkomstpunkt vid avslut, ansluta via SFTP, visa sparade filer frånfjärrkontrollen, utföra filoperationer, synkronisera datum och tid på fjärrkontrollen samtändra inställningar i programvaran som sparas i en lokal inställningsfil. Gränssnittet ärminimalistiskt med syfte att reducera komplexiteten samt tidsåtgången för extrahering avdata från mätsystemet Striton.

In some medical cases it is of interest to study a persons gait. This can be done in several different ways, both simple and advanced. A project has been done at the department Medicinsk Teknik - Forskning och Utveckling at the University Hospital of Umeå. In that project a system with optical triangulation sensors was created to easily measure a persons step width and step height. It was found that the sensors had limitations, in particular with sample frequency, and it was therfore of interest to test new sensors for this application. The goal with this project was to evaluate two sensors, VL53L0X and VL6180, and investigate if they can be used to measure step width and step hight. A system was built to communicate with and read data from the sensors. The sensors were then tested both in a laborative and real environment. With good reflection both VL6180 and VL53L0X show good precision in the range of interest. The sensors has the resolution of millimeters. VL6180 works better at really close distances but has a much shorter maximum range, about 18 cm, and lower maximum sample frequency, under 43 Hz. VL53L0X was tested up to 70 cm and 50 Hz. To be able to measure step width from the ankle, a very high sample frequency is needed to get the right amount of data when the legs pass eachother. If the sensors can be used in that way has not been confirmed. When placed higher on the persons leg, VL6180 can be used to measure step width and VL53L0X can be used to measure both step width and step height. / Inom sjukvården kan det i vissa fall vara intressant att studera en persons gång. Detta kan göras mer eller mindre avancerat och av olika anledningar som för diagnostik eller uppföljning efter ingrepp. Det har tidigare skapats ett mätsystem för mätning av gångparametrar på avdelningen Medicinsk teknik - Forskning och Utveckling vid Norrlands Universitetssjukhus. I det arbetet testades optiska sensorer som använder en triangulerande metodik. Den existerande tekniken hade dock begränsningar i sitt mätutförande vilket ledde till ett behov av att ersätta dessa med en ny typ av sensor. Målet med det här arbetet var därför att utvärdera två andra sensorer, VL6180 och VL53L0X, och undersöka om de kan användas för mätning av stegbredd och steghöjd. Ett mätsystem skapades i för att kommunicera med och samla in data från sensorerna. Därefter utfördes tester, främst laborativa tester med även ett test med den ena sensorn i reell miljö på testperson. Båda sensorerna visar på bra precision och linjäritet på de intressanta avstånden och ger resultat med en upplösning på hela millimetrar. VL6180 opererar bättre på väldigt nära håll men har en begränsning i att det maximala mätavståndet ligger kring 18 cm och den maximala samplingsfrekvensen under 43 Hz. Den frekvensen går att programmera men är instabil. För att kunna placera sensorerna nere vid vristen vid breddmätning krävs en mycket hög samplingsfrekvens för att få in tillräckligt med mätdata. VL53L0X kan komma upp i en en samplingsfrekvens på 50 Hz men det på bekostnad av sämre precision än vid lägre frekvenser. Huruvida VL6180 och/eller VL53L0X kan placeras vid vristen har inte bekräftats. VL53L0X testades med testperson och fungerade då för höjdmätning och breddmätning vid vaden. VL6180 bedöms kunna användas som sensor för mätning av stegbredd och VL53L0X för mätning av stegbredd och steghöjd.

BAKGRUND: Personer med amputation på transhumeral nivå har en asymmetrisk anatomi. Det är inte väl studerat hur denna asymmetri påverkar dessa personers stående och gång, och inte heller vilka besvär som detta skulle kunna orsaka. SYFTE: Att undersöka om någon skillnad i stillastående kropps-hållning och gångmönster uppstår då personer med transhumeral amputation använder respektive inte använder protes. Utöver det så är också syftet att undersöka om ryggbesvär förekommer hos personer med denna amputationsnivå. METOD: Två transhumeralt amputerade personer deltog i studien. Statisk undersökning och gånganalys genomfördes med och utan armprotes. En enkätundersökning gällande muskuloskeletala besvär genomfördes på deltagarna. RESULTAT: Inga större skillnader har hittats i bäckenets kinematik och bålens rörelse i sagittalplan då försökspersonerna går utan protes jämfört med när de går med protes. Däremot har vi funnit en thorakal lateralflexion mot den amputerade sidan under gång, som minskar då försökspersonerna använder protes. Då försökspersonerna är stillastående utan protes lutar de mot den amputerade sidan. När de använder protes minskar lutningen. Försökspersonerna led inte av ryggbesvär. SLUTSATS: Användande av armprotes för personer med transhumeral amputation verkar ge en rakare hållning under gång och stående. / BACKGROUND: People with transhumeral amputation have an asymmetrical anatomy. The influence of this asymmetry on gait and standing has not been well studied, neither has the potential problems that this could cause. OBJECTIVE: To investigate if any difference in standing posture and gait kinematics occur when people with transhumeral amputation use a prosthesis compared to when they don’t. Furthermore, the aim is to investigate if back problems are prevalent among people with this amputation level. METHODS: Two transhumeral amputees participated in this study. Static and gait analysis was conducted with and without prosthesis. The participants completed a survey regarding musculoskeletal problems. RESULTS: No major difference has been found in thorax tilt and pelvic kinematics when the subjects walk with compared to without prosthesis. However we have found a thorax obliquity towards the amputated side during walking, which is reduced when the subjects use their prosthesis. The subjects are leaning towards the amputated side when standing without prosthesis. When using the prosthesis the obliquity is reduced. The subjects do not suffer from any back problems. CONCLUSIONS: Use of an arm prosthesis seems to give people with transhumeral amputation a more upright posture during walking and standing.

Bakgrund: I Sverige är den generella uppfattningen att det vid val av vardagssko är rekommenderat att välja en sportsko framför en canvas tennissko. Tidigare studier har jämfört hur olika skomodeller påverkar gången, men ingen har studerat skillnader mellan sportskor och canvas tennisskor. Syfte: Undersöka hur en sko med instabil läst och platt bindsula (canvas tennissko) samt en sko med en stadig läst, en sula med bra stötdämpning och avrullning (sportsko) påverkar den mediolaterala stabiliteten olika under stödfasen. Metod: Gånganalys på fem kvinnliga deltagare. Kinetisk och kinematisk data samlades in med hjälp av ett 3D-rörelseanalyssystem. Resultat: Rörelseomfånget skiljer sig mer mellan deltagare än skomodeller. Sportskor har ett försumbart lägre rörelseomfång än canvas tennisskor. Sportskor ger mer inverterad gång än Canvas tenniskor. Steglängden och stödfasen (stance time) skiljer inte mellan de två skomodellerna. Slutsats: Fotens rörelseomfång i frontalplanet skiljer sig inte mellan canvas tennisskor och sportskor under stödfasen, men sportskon har en mer inverterad rörelse. / Background: In Sweden it is a general perception that a sports shoe is a better choice than a canvas tennis shoe for everyday use. Previous studies have investigated how different shoe models affect the gait, but none have studied the differences between sport shoes and canvas tennis shoes. Aim: Investigate how a shoe with unstable last and a flat insole (canvas tennis shoe) and a shoe with steady last, a sole with good shock absorbing and roll off (sport shoe) affect the mediolateral stability differently during stance. Methods: Gait analysis on five female participants. Kinetic and kinematic data collected with3D-modionanalysis system. Results: The range of motion differs more between participants than between shoe models. The sport shoe have a negligible lower range of motion than the canvas tennis shoe. Walking in sport shoe shows a more inverted gait than gait in canvas tennis shoe. Step length and stance time are the same in both shoe models. Conclusion: The range of motion and motion pattern of the foot in the coronal plane does not differ between canvas tennis shoes and sport shoes during stance phase, but the sport shoe has a more inverted motion.

A system that enables a cheap and accurate method to objectively measure the gait of patients has been developed at the university hospital of Umeå, and is undergoing clinical testing during the writing of this thesis. Presented in this thesis are the theory, process, and results of the development of a prototype and user interface, used for the analysis and presentation of the data from these gait measurements. Ideally, the physiotherapists conducting the examinations will be able to analyze and edit the data from these measurements themselves. The focus was therefore lain on optimizing the usability and understandability of the prototype for physiotherapists. Because of the optimization of usability for physiotherapists, the development of the prototype was based on the design processes of Design thinking and User centered design. It was an iterative process broken down into three iterations. Each iteration included the development of a prototype that increased in fidelity with each iteration. Tests and interviews were also included and they laid the foundation for the tuning of the prototypes. A final prototype was developed and it consisted of three main parts. In the first part (1) the user inserts information about the examination and patient, as well as retrieves the measurement data from the external measurement device. In the second part (2) the user analyses and edits the data from the measurement, and in the third part the user is shown a summary of the results from the measurement and calculations. Functions that show the correlation between graphs to ease the editing of the data were added to the prototype. Help-pages were also added, which enabled the users to get help when needed during the analysis of the data. The prototype was evaluated by the participants in the user tests using the system usability scale, and the prototype scored an average of 79.58 points (A-) with a median of 83.75 points (A). Which ranks the usability of the prototype as good to excellent. This shows that the usability of the prototype has been optimized for physiotherapists. It has been done by chunking the analysis and editing of the measurement-data in into separate sections and also by adding functions that show the correlation between the different graphs in the prototype. The optimization was also made possible by following established design processes and concepts within user experience and user interface design. / På Umeå universitetssjukhus har ett system för gångmätningar tagits fram som möjliggör för billiga och exakta mätningar. Systemet gör det även möjligt att utföra objektiva bedömningar av patienternas gång. Detta system genomgick klinisktestning under tiden då detta examensarbete genomfördes. I detta examensarbete så presenteras teorin, processen och resultatet av utvecklingen av en prototyp för ett an-vändargränssnitt, som ska användas för analys och bedömning av mätdatat från dessa gångmätningar med det nya mätsystemet. Datat från gångmätningarna ska kunna analyseras och redigeras av de fysioterapeuter som genomför gångmätningarna. Användargränssnittet har därför utformats för att optimera användarvänligheten motfysioterapeuter och underlätta deras förståelse för hur mätdatat ska redigeras och analyseras. Användargränssnittet har tagits fram med hjälp av designprocesserna "Design thinking" och användarcentrerad design. Tre iterationer genomfördes och i varje iteration så utvecklades och förbättrades en prototyp för användargränssnittet. Användartester och intervjuer ingick också i dessa iterationer. En slutgiltig prototyp togs from och bestod av tre huvuddelar. En första del (1) där användaren kan skriva in information om mätningen och patienten, samt hämta data från mätningen från en extern mätenhet. En andra del (2) där användaren kan analysera och redigera data från mätningen, samt en tredje del (3) som visar en summering av resultatet från mätningen och beräkningarna. Funktioner som visade korrelationen mellan grafer för att underlätta redigeringen av data lades till i prototypen. Hjälpsidor lades också till vilket möjliggjorde för användaren att få hjälp vid behov. Prototypens användarvänlighet evaluerades av deltagarna i användartesten medhjälp av en skala som kallas "System Usability Scale". Prototypen fick en snittpoäng på 79.58 (A-) på denna skala, med en median på 83.75 poäng (A). Detta rankar användarvänlighet för denna prototyp som god till utmärkt. Den uppnådda poängen visar att en optimering av användarvänlighet mot fysioterapeuter har lyckats för den framtagna prototypen. Denna optimering av användarvänligheten har uppnåtts genom att dela upp analysen och redigering av mätdatat i flera delar, och genom att addera funktioner som visar korrelationen mellan olika grafer i prototypen. Optimeringen har även kunnat genomföras med hjälp av etablerade designmetoder så som design thinking.

Spinal cord injury, whether traumatic or nontraumatic, can partially or completely damage sensorimotor pathways between the brain and the body, leading to heterogeneous gait abnormalities. Mobility impairments also depend on other factors such as age, weight, time since injury, pain, and walking aids used. The ASIA Impairment Scale is recommended to classify injury severity, but is not designed to characterize individual ambulatory capacity. Other standardized tests based on subjective or timing/distance assessments also have only limited ability to determine an individual's capacity. Data-driven techniques have demonstrated effectiveness in analysing complexity in many domains and may provide additional perspectives on the complexity of gait performance in persons with spinal cord injury. The studies in this thesis aimed to address the complexity of gait and functional abilities after spinal cord injury using data-driven approaches. The aim of the first manuscript was to characterize the heterogeneous gait patterns in persons with incomplete spinal cord injury. Dissimilarities among gait patterns in the study population were quantified with multivariate dynamic time warping. Gait patterns were classified into six distinct clusters using hierarchical agglomerative clustering. Through random forest classifiers with explainable AI, peak ankle plantarflexion during swing was identified as the feature that most often distinguished most clusters from the controls. By combining clinical evaluation with the proposed methods, it was possible to provide comprehensive analyses of the six gait clusters.     The aim of the second manuscript was to quantify sensorimotor effects on walking performance in persons with spinal cord injury. The relationships between 11 input features and 2 walking outcome measures - distance walked in 6 minutes and net energy cost of transport - were captured using 2 Gaussian process regression models. Explainable AI revealed the importance of muscle strength on both outcome measures. Use of walking aids also influenced distance walked, and  cardiovascular capacity influenced energy cost. Analyses for each person also gave useful insights into individual performance.     The findings from these studies demonstrate the large potential of advanced machine learning and explainable AI to address the complexity of gait function in persons with spinal cord injury. / Skador på ryggmärgen, oavsett om de är traumatiska eller icke-traumatiska, kan helt eller delvis skada sensoriska och motoriska banor mellan hjärnan och kroppen, vilket påverkar gången i varierande grad. Rörelsenedsättningen beror också på andra faktorer såsom ålder, vikt, tid sedan skadan uppstod, smärta och gånghjälpmedel. ASIA-skalan används för att klassificera ryggmärgsskadans svårighetsgrad, men är inte utformad för att karaktärisera individens gångförmåga. Andra standardiserade tester baserade på subjektiva eller tids och avståndsbedömningar har också begränsad möjlighet att beskriva individuell kapacitet. Datadrivna metoder är kraftfulla och kan ge ytterligare perspektiv på gångens komplexitet och prestation. Studierna i denna avhandling syftar till att analysera komplexa relationer mellan gång, motoriska samt sensoriska funktion efter ryggmärgsskada med hjälp av datadrivna metoder. Syftet med den första studien är att karaktärisera de heterogena gångmönster hos personer med inkomplett ryggmärgsskada. Multivariat dynamisk tidsförvrägning (eng: Multivariate dynamic time warping) användes för att kvantifiera gångskillnader i studiepopulationen. Hierarkisk agglomerativ klusteranalys (eng: hierarchical agglomerative clustering) delade upp gång i sex distinkta kluster, varav fyra hade lägre hastighet än kontroller. Med hjälp av förklarbara AI (eng: explainable AI) identifierades det att fotledsvinkeln i svingfasen hade störst påverkan om vilken kluster som gångmönstret hamnat i. Genom att kombinera klinisk undersökning med datadrivna metoder kunde vi beskriva en omfattande bild av de sex gångklustren. Syftet med den andra manuskriptet är att kvantifiera sensoriska och motoriska faktorerans påverkan på gångförmåga efter ryggmärgsskada. Med hjälp av två Gaussian process-regressionsmodeller identiferades sambanden mellan 11 beskrivande faktorer och 2 gång prestationsmått, nämligen gångavstånd på 6 minuter samt metabola energiåtgång. Med hjälp av förklarbar AI påvisades det stora påverkan av muskelstyrka på både gångsträckan och energiåtgång. Gånghjälpmedlet samt kardiovaskulär kapaciteten hade också betydande påverkan på gångprestation. Enskilda analyser gav insiktsfull information om varje individ. Resultaten från dessa studier visar på potentiella tillämpningar av avancerad maskininlärning och AI metoder för att analysera komplexa relationer mellan funktion och motorisk prestation efter ryggmärgsskada. / <p>QC 20240221</p>