par Wilmart, Robin 
Président du jury Kinnaert, Michel
Promoteur Garone, Emanuele
Co-Promoteur Innocenti, Bernardo
Publication Non publié, 2026-06-08
Président du jury Kinnaert, Michel
Promoteur Garone, Emanuele
Co-Promoteur Innocenti, Bernardo
Publication Non publié, 2026-06-08
Thèse de doctorat
| Résumé : | Quantitative measurement of knee kinematics is a key clinical challenge: it underpins objective assessment of functional recovery following surgery or rehabilitation, and enables monitoring of patients with joint pathologies. Yet physiotherapists currently lack any portable instrument capable of measuring the six degrees of freedom (6-DOF) of the tibiofemoral joint in a routine clinical setting. This thesis presents the design, manufacture, and experimental validation of a wearable 6-DOF electrogoniometer for in-vivo knee kinematics measurement. The device is built around a 3R-PRR series kinematic chain instrumented with high-precision encoders, powered by a battery, and transmitting data in real time via Bluetooth Low Energy. It is the first portable goniometric device to combine six properties simultaneously: 6-DOF measurement, portability, wireless transmission, real-time processing at 100 Hz, non-invasiveness, and bilateral use without disassembly. An original algorithmic contribution is developed: an extension of the Grood and Suntay framework incorporating Denavit-Hartenberg formalism to convert raw encoder readings into six clinical parameters, three rotations (flexion, adduction, external rotation) and three translations (lateral, anterior, distal). A performance analysis based on the condition number of the device's Jacobian matrix provides insight into measurement sensitivity and guides future design iterations. Experimental validation, conducted in two stages (a controlled test bench evaluation and a preliminary in-vivo proof-of-concept study on a single healthy volunteer performing five activities of daily living) demonstrates excellent accuracy for flexion and external rotation, and satisfactory precision for lateral translation. Residual errors in anterior and distal translations are fully characterized with their root causes identified, defining a clear technical roadmap toward complete clinical validation. |
| La mesure quantitative de la cinématique du genou constitue un enjeu clinique majeur : elle conditionne l'évaluation objective de la récupération fonctionnelle après chirurgie ou rééducation, et le suivi de la progression des patients atteints de pathologies articulaires. Or, les kinésithérapeutes ne disposent actuellement d'aucun outil portable capable de mesurer les six degrés de liberté (6-DDL) de l'articulation tibiofémorale dans un contexte clinique courant. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'un électro-goniomètre portable à 6-DDL destiné à la mesure in vivo de la cinématique du genou. Le dispositif repose sur une chaîne cinématique série de type 3R-PRR instrumentée par des codeurs de haute précision, alimenté par batterie et transmettant les données en temps réel via Bluetooth Low Energy. Il se distingue des solutions existantes par la combinaison inédite de six propriétés : mesure à 6-DDL, portabilité, transmission sans fil, traitement en temps réel à 100 Hz, caractère non invasif et utilisation bilatérale sans démontage. Une contribution algorithmique originale est développée : une extension du formalisme de Grood et Suntay incorporant le formalisme de Denavit-Hartenberg pour convertir les lectures brutes des codeurs en six paramètres cliniques, trois rotations (flexion, adduction, rotation externe) et trois translations (latérale, antérieure, distale). Une analyse de performance basée sur le nombre de conditionnement de la matrice jacobienne du mécanisme complète ce travail. La validation expérimentale, conduite en deux étapes (banc d'essai contrôlé et étude préliminaire in vivo sur un sujet sain lors de cinq activités de la vie quotidienne) démontre une excellente précision en flexion et en rotation externe, ainsi qu'une précision satisfaisante en translation latérale. Les erreurs résiduelles en translations antérieure et distale sont caractérisées et leurs causes identifiées, définissant une feuille de route technique claire vers la validation clinique complète. |
