Validazione sperimentale di un sistema di misura del passo su terreni irregolari basato su IMU

Abstract

L'efficacia dei sensori IMU nell'identificare le fasi del ciclo del passo per un'analisi oggettiva dei parametri spazio-temporali è solo parzialmente esaminata in letteratura e limitata a terreni regolari e pianeggianti. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di indagare l'efficacia di questi sensori a questo scopo ed estendere la loro applicazione a vari terreni irregolari. Questo studio ha effettuato un confronto tra un sistema di sensori inerziali e un sistema di stereofotogrammetria, utilizzato come gold standard. Il confronto si basa sui dati sperimentali acquisiti nell'ambito del progetto spagnolo "Neuromark", utilizzando un protocollo sperimentale leggermente modificato. Sono stati analizzati dieci soggetti sani in dodici diverse configurazioni di camminata e, inoltre, sono stati esaminati due pazienti affetti da morbo di Parkinson in prove sperimentali del progetto. Quattro codici, che utilizzano dati di accelerazione e velocità angolare, sono stati analizzati in termini di prestazioni per rilevare eventi comparabili con quelli del gold standard, avendo definito metodi di soglia. Inoltre, con gli eventi comparabili, è stata effettuata un'analisi degli errori temporali, utilizzando un test statistico, come l'analisi della varianza. I risultati possono fornire indicazioni sulle posizioni consigliate dei sensori IMU in ogni condizione di terreno e inclinazione, e anche quale metodo può essere considerato utile per un'analisi degli eventi di deambulazione dei pazienti con malattia di Parkinson. Si dimostra che, indicativamente per tutti i metodi,vi è un aumento dell'errore dall'inclinazione negativa a quella positiva di tutti i terreni. In generale,l'IMU posizionata sul piede non è la soluzione ideale per i terreni irregolari e per i pazienti affetti da Parkinson,mentre la posizione della pelvi e della tibia sono le scelte migliori per i sensori IMU in un'analisi su questo tipo di terreni irregolari e in condizioni di camminata in piano,in salita o in discesa.

The IMU sensors effectiveness in identifying the gait cycle phases for an objective analysis of the spatio-temporal parameters is only partially examined in literature and limited to regular flat terrain. So, the aim of this thesis is to investigate the effectiveness of these sensors for this purpose and extend their application to various irregular terrains. This study performed a comparison between an inertial sensor system and a stereophotogrammetry system, used as gold standard. The comparison is based on experimental data acquired in the Spanish project, called ‘Neuromark’, using a slightly modified experimental protocol. Ten healthy subjects were analyzed in twelve different configurations of walking and, also, two Parkinson’s disease patients experimental trials of the project were examined. Four codes, that use acceleration and angular velocity data, were analyzed in term of performance to detect events that are comparable with the ones of the gold standard, having defined threshold methods. In addition, with the comparable events, an analysis on the temporal errors was performed, using a statistical test, as it is the analysis of variance. The results can give some indications on the recommended positions of the IMU sensors in every terrain condition and inclination, and also which method can be considered useful for an analysis on the gait events of the Parkinson disease patients. It is shown that, indicatively for all the methods, there is an increase in error from the negative to the positive inclination of all terrains. In general, the IMU positioned on the foot is not the perfect solution on irregular terrains and also on the Parkinson patients, instead the position of the pelvis and the shank are the best choices for an IMU sensors in an analysis on this kind of various irregular terrains and condition of level, uphill or downhill walking.