Development of a wearable themistor knee sleeve for monitoring inflammation-related surface temperature changes in the knee

Knee osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease prevalent in older populations and characterized by progressive deterioration of articular tissue, leading to pain, stiffness, swelling, and reduced mobility. Inflammatory processes associated with OA can induce localized changes in skin temperature, making thermography a potential tool for monitoring disease activity. This thesis builds upon a previously developed Thermal Sensor System (TSS) prototype designed to characterize surface knee temperature changes and aims to translate it into a fully wearable configuration also applicable for dynamic conditions. A Thermistor Knee Sleeve (TKS) was designed and implemented, integrating modified thermistors within a mechanically stable textile structure to enable continuous temperature monitoring during movement. Multiple contact and insulation materials were evaluated to optimize thermistor–skin coupling, minimize environmental influence, and ensure positional stability. The modified thermistors were calibrated, and both static and dynamic errors were quantified below the medical temperature measurement threshold of 0.1 ◦C. Device performance was evaluated against a reference thermal camera using the Thermographic Index (TI) and Heat Distribution Index (HDI). While a systematic temperature offset between systems was observed, spatial agreement improved compared to the previous TSS implementation, with the mean HDI error decreasing from 0.20±0.36 ◦C to 0.075 ± 0.28 ◦C.The TKS reproduced global temperature trends and identified major spatial patterns during baseline and post-exercise phases. Continuous monitoring further enabled capture of rapid thermal dynamics not fully observable by discrete thermal camera measurements. Although limited by small sample size and lower spatial resolution relative to full-field thermography, the proposed wearable system demonstrates the feasibility of contact-based knee thermography under dynamic conditions and represents a step toward practical longitudinal monitoring of thermal patterns associated with knee OA management.

L’osteoartrosi (OA) del ginocchio è una malattia degenerativa del giunto presente prevalentemente nella popolazione anziana e caratterizzata dal progressivo deterioramento dei tessuti articolari, portando a dolore, rigidità del giunto, gonfiore e mobilità ridotta. I processi infiammatori associati all’OA possono indurre cambiamenti locali nella distribuzione di temperatura superficiale del ginocchio, rendendo la termografia un potenziale strumento per il monitoraggio della patologia. Questa tesi si basa su un prototipo di Sistema di Sensori Termici (TSS) precedentemente sviluppato per caratterizzare i cambiamenti di temperatura del ginocchio, e mira a integrarlo in una configurazione completamente indossabile applicabile in condizioni dinamiche. Una ginocchiera con termistori (Thermistor Knee Sleeve, TKS) è stata progettata integrando termistori modificati all’interno di una struttura tessile al fine di consentire il monitoraggio continuo della temperatura durante il movimento. Sono stati valutati diversi materiali di contatto e di isolamento per ottimizzare l’accoppiamento termistore–cute, minimizzare l’influenza ambientale e garantire la stabilità posizionale. I termistori modificati sono stati calibrati e gli errori statici e dinamici sono stati quantificati al di sotto della soglia medica di misurazione della temperatura pari a 0.1,◦ C. Le prestazioni del dispositivo sono state valutate rispetto a una termocamera di riferimento tramite l’Indice Termografico (TI) e l’Indice di Diffusione del Calore (Heat Distribution Index, HDI). Sebbene sia stato osservato un offset sistematico di temperatura tra i sistemi, l’accordo spaziale è migliorato rispetto alla precedente implementazione del TSS, con una riduzione dell’errore medio dell’HDI da 0.20 ± 0.36,◦ C a 0.075 ± 0.28,◦ C. La TKS ha riprodotto le tendenze termiche globali e identificato i principali pattern spaziali durante le fasi di baseline e post-esercizio. Il monitoraggio continuo ha inoltre consentito di catturare dinamiche termiche rapide non completamente osservabili mediante misurazioni discrete con termocamera. Sebbene limitato da un numero ridotto di soggetti e da una risoluzione spaziale inferiore rispetto alla termografia full-field, il sistema indossabile proposto dimostra la fattibilità della termografia di contatto del ginocchio in condizioni dinamiche e rappresenta un passo verso un monitoraggio longitudinale pratico dei pattern termici associati alla gestione dell’osteoartrosi del ginocchio.