Development and validation of a wearable system to monitor the range of motion of lymphoedematous limbs

Wearable devices are integral to both biomedical research and home-based monitoring. In motion analysis, a common area of study, IMU-equipped wearables offer a cost-effective and accurate solution compared to other motion capture systems. Motion analysis holds significance in clinical monitoring, particularly for conditions like lymphedema, where mobility may be compromised. Lymphedema is a pathological condition characterized by limb swelling. Lymphoedematous patients lack a definitive cure, but various treatments aim to manage their condition. A primary technique involves the application of compressive bandages, typically worn for 2-4 weeks at the onset of treatment. Patients are recommended to engage in exercises to aid the drainage of the lymphatic system, facilitated by the pressure exerted by the bandages.. The aim of the thesis was to project and validate a wearable device for motion analysis that could be easily implemented with the bandages to assess motion and provide insights on functionalities constraints related to the pathology and the ones that can be caused by bandages. To understand the main characteristics needed for the new wearable system, a dataset of 5 patients has been collected and analysed with a commercially available IMU devices (Xsens) while performing maximal exercise of flexo-extention of the interested limb and during walk. Then, a new IMU-based device able to directly stream data on a PC or store data locally, was designed, and produced. The validation consists in the comparison with a gold standard (Optoelectronic system) of ROM and joint angles data of 7 healthy participants during maximal flexo- extension of the knee and ankle, and during walk. Future work can add features as Human Activity Recognition to monitor the activity level and the prescribed physical exercised for patients to improve pathological condition.

I dispositivi indossabili sono fondamentali sia per la ricerca biomedica che per il monitoraggio domiciliare. Nell'analisi del movimento i dispositivi indossabili dotati di IMU offrono una soluzione economica e accurata rispetto ad altri sistemi di cattura del movimento. L'analisi del movimento è un ambito significativo nel monitoraggio clinico, particolarmente per condizioni come il linfedema, dove la mobilità può essere compromessa. Il linfedema è una condizione patologica caratterizzata da gonfiore degli arti, non esiste una cura definitiva, ma vari trattamenti mirano a gestire la loro condizione. Una tecnica primaria coinvolge l'applicazione di bendaggi compressivi, generalmente indossati per 2-4 settimane all'inizio del trattamento. Si consiglia ai pazienti di impegnarsi in esercizi per favorire il drenaggio del sistema linfatico, facilitato dalla pressione esercitata dai bendaggi. Lo scopo della tesi era progettare e convalidare un dispositivo indossabile per l'analisi del movimento che potesse essere facilmente implementato con i bendaggi per valutare il movimento e fornire approfondimenti sui vincoli funzionali legati alla patologia e quelli che possono essere causati dai bendaggi. Per comprendere le principali caratteristiche necessarie per il nuovo sistema indossabile, è stato raccolto e analizzato un set di dati di 5 pazienti con dispositivi IMU disponibili commercialmente (Xsens) mentre eseguivano esercizi di flessione-estensione massimale dell'arto interessato e durante la camminata. Successivamente, è stato progettato e prodotto un nuovo dispositivo basato su IMU in grado di trasmettere direttamente i dati su un PC o archiviarli localmente. La convalida consiste nel confronto con uno standard di riferimento (sistema optoelettronico) dei dati sull'escursione e sugli angoli articolari di 7 partecipanti sani durante la flessione-estensione massimale del ginocchio e della caviglia, e durante la camminata. Lavori futuri possono aggiungere funzionalità come il riconoscimento dell'attività umana per monitorare il livello di attività e gli esercizi fisici prescritti per i pazienti al fine di migliorare la condizione patologica.