Continuous Assessment of Running In Real-World Conditions With Lab-Validated Algorithms Based on Foot-Worn Inertial Sensors

Mathieu Pascal Falbriard
2020
Do not go gentle into that good night, Old age should burn and rave at close of day; Rage, rage against the dying of the light. Though wise men at their end know dark is right, Because their words had forked no lightning they Do not go gentle into that good night. Good men, the last wave by, crying how bright Their frail deeds might have danced in a green bay, Rage, rage against the dying of the light. Wild men who caught and sang the sun in flight, And learn, too late, they grieved it on its
more » ... y, Do not go gentle into that good night. Grave men, near death, who see with blinding sight Blind eyes could blaze like meteors and be gay, Rage, rage against the dying of the light. And you, my father, there on the sad height, Curse, bless, me now with your fierce tears, I pray. Do not go gentle into that good night. Rage, rage against the dying of the light. Abstract Following the cultural revolution of the late 1960s, the number of elite and recreational runners rose consistently, reaching approximately 7.9 million road races participants in 2018. Today, running is everywhere. City parks, forests, mountain trails, and athletic tracks are now the playground of numerous running enthusiasts, whatever their ages, gender, and social background. With such heterogeneity in the runners' profiles, the motives to maintain a running habit vary from psychological, social, and physical objectives to performance-oriented goals. Although the health benefits of running are well-recognized in the scientific literature, its regular practice also presents risks of injuries. To study the underlying mechanisms associated with injuries or improvements in performances, scientists have investigated the kinematics and the kinetics characteristics of the running gait. Habitually, this quest requires the use of precise monitoring instruments only accessible in well-equipped research laboratories. However, over the past two decades, the advent of wearable sensors shifted the analysis of running into real-world settings, where runners encounter different environments, outside, in the wild. It is in this setting that the current thesis situates itself. This thesis presents a new wearable system for the objective assessment of the running gait in real-world conditions. The proposed method uses foot-worn inertial sensors and lab-validated algorithms to provide a reliable analysis of the spatiotemporal parameters of running. The system can operate outdoors and over extended periods while providing a quasi-real-time evaluation of each step. Further, with its automatic detection of the sensor location and calibration, the proposed method is easy-to-use and accessible to non-initiated users. For the technical validation of the proposed system, the spatiotemporal metrics were compared with gold-standard reference systems. Temporal events and gait phases were validated inlab against a reference force plate integrated into a treadmill, and the results of a novel orientation-drift correction model compared to a state-of-the-art motion capture system. Three overground speed estimation methods were evaluated in real-world conditions and compared to a Global Navigation Satellite System device. Finally, these methods were tested in different settings, such as a marathon race, a mountain ultra-marathon, and a 400-m hurdling competition. These tests provided valuable insight into the limitations of the proposed system and suggested several improvements for its use in real-world conditions. Overall, this thesis presents a new device for researchers to assess the running gait outside of the laboratories. It aims to augment the resolution of running analysis by handling the technical challenges associated with inertial sensors and providing fast and reliable biomechanical metrics. As such, the system could contribute to extending the knowledge about i Abstract the mechanical adaptations experienced in real-world environments and long-term running. Moreover, the potential of such an instrument for in-field performance evaluation was tested in this thesis and showed promising results. Hence, such an assessment of the running gait during training and competitions could help athletes and coaches monitor the training load and improvement in performances. Finally, with the advents in the miniaturization of wearable sensors, the proposed methods could be used in various running-related applications, such as shoe-fitting, rugby, soccer, and other sports where running is a critical component. Résumé Suite à la révolution culturelle de la fin des années 1960, le nombre de coureurs professionnels et amateurs n'a cessé d'augmenter, avoisinant les 7.9 millions de participants à des courses sur route en 2018. Aujourd'hui, la course à pied est partout. Les parcs, les forêts, les chemins de montagne et les pistes d'athlétisme sont le terrain de jeu d'une multitude de coureurs, indépendamment de leur âge, genre ou statut social. Avec une telle hétérogénéité de profils, les motivations conduisant à une pratique régulière peuvent être diverses ; psychologiques, sociales, physiologiques ou dans un but de performance. Bien que les bénéfices de la course à pied sur la santé soient reconnus par la littérature scientifique, une pratique régulière peut présenter des risques de blessures. Afin de mieux comprendre les mécanismes sousjacents associés à ces blessures ou à une amélioration des performances, les scientifiques ont étudié la cinématique et la cinétique des différents mouvements générés en course à pied. Habituellement, cette quête requiert l'utilisation d'appareils de mesure avancés et rarement accessibles en dehors des laboratoires scientifiques. Toutefois, les progrès réalisés dans le domaine des capteurs portés ont transposé l'analyse de la foulée hors des laboratoires, dans des conditions réelles qui requièrent une adaptation constante du coureur en fonction de son environnement. Cette thèse présente un nouveau système porté capable de fournir une évaluation objective des paramètres biomécaniques de course. Les méthodes proposées utilisent des capteurs inertiels placés sur le pied et des algorithmes validés en laboratoire. Le système a été conçu pour une utilisation en conditions réelles, sur de longues périodes et dans le but de fournir une évaluation quasi-instantanée de chaque pas. En outre, étant capable de détecter automatiquement son emplacement et de se calibrer en fonction celui-ci, le système proposé est facile d'utilisation et accessible aux utilisateurs non-initiés. La validation technique a été effectuée de manière contrôlée et par comparaison à des systèmes de référence précis. Les paramètres temporels de course ont été comparés aux mesures d'une plateforme de force intégrée dans un tapis roulant. La méthode d'estimation de l'orientation du pied basée sur un modèle biomécanique du pied a quant à elle été comparée à un système optique de capture du mouvement. De plus, trois méthodes d'estimation de la vitesse de course ont été proposées et comparées à un système de positionnement par satellites. Enfin, les méthodes développées ont été testées dans différent situations : lors d'un marathon, d'un ultra-marathon de montagne ainsi que lors d'une compétition de 400 mètres haies. En conclusion, ma thèse propose un nouveau système de capteurs portés permettant aux chercheurs d'évaluer la foulée en course à pied en dehors des traditionnels laboratoires de iii Abstract mesure. Le système a pour objectif d'augmenter la résolution de l'analyse de course en résolvant les défis techniques associés aux capteurs inertiels et en fournissant une évaluation fiable et rapide des paramètres biomécaniques. Ainsi, le système pourra contribuer à étendre les connaissances sur les adaptations mécaniques nécessaires lors d'une course hors laboratoire, dans différents environnements et sur une durée prolongée. De plus, les tests réalisés lors de ma thèse ont démontré le potentiel d'une telle technologie dans le suivi des performances. Le système pourrait ainsi permettre aux athlètes et aux entraineurs de quantifier la charge d'entrainement ainsi que d'éventuelles améliorations. Enfin, grâce à la miniaturisation continue des capteurs, les méthodes proposées dans ma thèse pourraient également servir à d'autres applications, telles que le choix et la personnalisation des chaussures ou l'analyse d'autres sports, tels que le rugby et le football. Mot clés : course à pied, capteurs inertiels, capteurs portés, pied, paramètres spatiotemporels, correction de la dérive des capteurs, vitesse, validation, marathon, course de montagne, 400 mètres haies, conditions réelles de course iv Learning the sweet science of metrology at the Laboratory of Movement Analysis and Measurement (LMAM) has been an exciting and fulfilling adventure, which I largely owe to the kind and professional guidance of Prof. Aminian. Under Kamiar's supervision, I had the opportunity to participate in several projects, and the freedom to set the direction of my research; a luxury I sincerely enjoyed. I consider myself lucky to have had such a great supervisor, and I genuinely thank him for his support and disponibility throughout my thesis. Over the past four and a half years, I also had the pleasure to exchange about science (and life in general) with the other members of LMAM: Pritish Chakravarty (my office mate), Mahdi
doi:10.5075/epfl-thesis-7436 fatcat:rx3vbtayefhoragc4s2j4d65w4