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Apprentissage Profond Pour Fins de Commande D'une Prothèse Myoélectrique Transhumérale
Publisher:
  • Ecole Polytechnique, Montreal (Canada)
ISBN:979-8-3744-9296-5
Order Number:AAI30348095
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Abstract
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La perte d'autonomie causée par une amputation du membre supérieur peut être restaurée partiellement ou presqu'entièrement par l'utilisation d'une prothèse myoélectrique adaptée à l'utilisateur. Ce dispositif utilise l'activité électrique des muscles du moignon au moyen de l'électromyographie de surface (sEMG) pour activer les divers mouvements. Il s'agit de la meilleure solution pour offrir le contrôle naturel recherché par les amputés, soit un contrôle qui requiert peu d'effort physique ou mental de la part de son utilisateur. Particulièrement pour les amputés transhuméraux (TH – amputation au-dessus du coude), les prothèses actuellement sur le marché n'offrent pas un tel contrôle alors que leur utilisation est frustrante et mène souvent à l'abandon du dispositif. Dans l'objectif de rendre la commande plus naturelle, la classification des intentions de mouvement au moyen de méthodes d'apprentissage machine (ML) classiques a été investiguée durant les dernières décennies. Malgré des études qui rapportent des performances élevées, le besoin pour un contrôle naturel est toujours présent et les méthodes ML classiques ne semblent pas être capable d'améliorer davantage la précision de classification. Afin d'améliorer les méthodes de classifications de mouvement, un nombre significatif d'études se tournent vers l'apprentissage profond (DL).Grâce à leur capacité d'abstraction plus élevée que les méthodes ML classiques, les méthodes DL sont potentiellement mieux adaptées à la complexité entourant la classification des intentions de mouvements chez un amputé TH. En effet, les plus récentes applications de DL impliquant des signaux provenant des muscles démontrent des résultats très prometteurs et qui surpassent ceux obtenus avec des méthodes ML classiques. Dans le but de satisfaire le besoin des amputés TH pour une prothèse myoélectrique avec un contrôle naturel, cette thèse introduit une méthode DL capable de reconnaître les intentions de mouvements à partir de signaux sEMG. Les objectifs de 85 % en précision de classification et d'un temps de prédiction en dessous de 250 ms doivent être atteints pour obtenir un contrôle en temps réel qui soit satisfaisant tel que perçu par l'amputé TH.La méthode DL sélectionnée est le réseau de neurones récurrents à longue mémoire courte (RNNLSTM) pour sa capacité à utiliser des observations passées afin d'influencer sa décision. Cette capacité lui permet de profiter de l'aspect séquentiel des données et d'être mieux adapté à travailler avec des signaux sEMG. Dans un premier article, une méthode RNN-LSTM est implémentée pour classifier six intentions de mouvements à partir de signaux sEMG. Une précision de classification moyenne de 79.7% est obtenue pour trois amputés TH avec un temps de prédiction de 6.7 ms. La méthode RNN-LSTM est statistiquement plus précise et plus rapide que les deux meilleures méthodes ML classiques de la littérature.Dans le but d'améliorer la précision de classification tout en maintenant un temps de prédiction faible, un deuxième article aborde l'optimisation de huit hyperparamètres de la méthode RNNLSTM. La précision de classification moyenne augmente à 93.20 % avec un temps de prédiction de 10.8 ms. À l'issue de cet article, les trois amputés TH atteignent les objectifs de 85 % de précision de classification tout en maintenant un faible temps de prédiction de 10.8 ms.L'optimisation des hyperparamètres est un processus qui nécessite un temps de calcul, une puissance de traitement et une mémoire qui sont considérables afin de trouver la meilleure configuration possible. Sans expertise préalable, il est possible de gaspiller ces ressources de calcul en investiguant des hyperparamètres qui ont peu d'impact sur la précision de classification. Afin d'aider les futures études impliquant un tel processus, l'article 2 propose aussi une configuration de référence et 12 recommandations pour l'obtention d'une optimisation efficiente des hyperparamètres d'une méthode RNN-LSTM pour la reconnaissance de mouvement avec des signaux sEMG.

Contributors
  • Polytechnique Montral
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