Design, development and field verification of a RF gait analysis system

This thesis describes the design, development and experimental verification of a low-cost wearable system for gait analysis. It is expected that such a system may offer higher reliability than IMU based gait analysis systems for the analysis of any gait pattern because it does not rely on any biomechanical model of the gesture. The system consists of a RF transmitter/receiver and its antenna, respectively placed on the leg and the foot of the subject, to get the backscattered signal sent by passive transponders marking the walking path. The acquired data are then sent via Bluetooth to a smartphone running a devoted app displaying and storing the collected data. The data is then processed through a MATLAB script to extract the relevant gait parameters. This thesis aims to demonstrate that the developed system is able to assess in a reliable way the stride time, the ratio between stance and swing phase and the step length exploiting the power and phase of the backscattered signal. The verification of the system, performed on a sample of both healthy subjects and patients, is based on the comparison of the obtained results against an optoelectronic motion analysis system (considered as the golden standard) and a commercially available wearable gait analysis system based on IMUs.

Tema di questa tesi è la descrizione di progettazione, sviluppo e verifica di un sistema indossabile di analisi del cammino innovativo, caratterizzato da costi contenuti e facilità d’uso. Il sistema è composto da un ricevitore/trasmettitore in radiofrequenza con antenna esterna, indossati rispettivamente su gamba e piede del soggetto, che rilevano il segnale emesso da trasponder passivi posizionati lungo il percorso di cammino. I dati raccolti sono poi trasmessi via Bluetooth ad uno smartphone che si occupa della visualizzazione e del salvataggio dei dati inviati. Questi ultimi sono successivamente elaborati tramite un software scritto in MATLAB per l’estrazione dei principali parametri spazio-temporali del cammino. La principale innovazione del sistema proposto, rispetto ai sistemi basati su IMU, è la totale indipendenza da modelli antropometrici e biomeccanici nella stima delle variabili in gioco. Questa caratteristica permette alta flessibilità d’uso per ogni tipologia di percorso e modalità di cammino. La verifica funzionale del sistema ha coinvolto un gruppo di soggetti sani e patologici. I risultati ottenuti sono stati confrontati sia con le misure ottenute attraverso un sistema optoelettronico di analisi del movimento (considerato come golden standard) che con un sistema commerciale indossabile basato su IMU.