Gait rehabilitation monitor

Abstract

This work presents a simple wearable, non-intrusive affordable mobile framework that allows remote patient monitoring during gait rehabilitation, by doctors and physiotherapists. The system includes a set of 2 Shimmer3 9DoF Inertial Measurement Units (IMUs), Bluetooth compatible from Shimmer, an Android smartphone for collecting and primary processing of data and persistence in a local database. Low computational load algorithms based on Euler angles and accelerometer, gyroscope and magnetometer signals were developed and used for the classification and identification of several gait disturbances. These algorithms include the alignment of IMUs sensors data by means of a common temporal reference as well as heel strike and stride detection algorithms to help segmentation of the remotely collected signals by the System app to identify gait strides and extract relevant features to feed, train and test a classifier to predict gait abnormalities in gait sessions. A set of drivers from Shimmer manufacturer is used to make the connection between the app and the set of IMUs using Bluetooth. The developed app allows users to collect data and train a classification model for identifying abnormal and normal gait types. The system provides a REST API available in a backend server along with Java and Python libraries and a PostgreSQL database. The machine-learning type is Supervised using Extremely Randomized Trees method. Frequency, time and time-frequency domain features were extracted from the collected and processed signals to train the classifier. To test the framework a set of gait abnormalities and normal gait were used to train a model and test the classifier.

Este trabalho apresenta uma estrutura móvel acessível, simples e não intrusiva, que permite a monitorização e a assistência remota de pacientes durante a reabilitação da marcha, por médicos e fisioterapeutas que monitorizam a reabilitação da marcha do paciente. O sistema inclui um conjunto de 2 IMUs (Inertial Mesaurement Units) Shimmer3 da marca Shimmer, compatíveís com Bluetooth, um smartphone Android para recolha, e pré-processamento de dados e armazenamento numa base de dados local. Algoritmos de baixa carga computacional baseados em ângulos Euler e sinais de acelerómetros, giroscópios e magnetómetros foram desenvolvidos e utilizados para a classificação e identificação de diversas perturbações da marcha. Estes algoritmos incluem o alinhamento e sincronização dos dados dos sensores IMUs usando uma referência temporal comum, além de algoritmos de detecção de passos e strides para auxiliar a segmentação dos sinais recolhidos remotamente pelaappdestaframeworke identificar os passos da marcha extraindo as características relevantes para treinar e testar um classificador que faça a predição de deficiências na marcha durante as sessões de monitorização. Um conjunto de drivers do fabricante Shimmer é usado para fazer a conexão entre a app e o conjunto de IMUs através de Bluetooth. A app desenvolvida permite aos utilizadores recolher dados e treinar um modelo de classificação para identificar os tipos de marcha normais e patológicos. O sistema fornece uma REST API disponível num servidor backend recorrendo a bibliotecas Java e Python e a uma base de dados PostgreSQL. O tipo de machine-learning é Supervisionado usando Extremely Randomized Trees. Features no domínio do tempo, da frequência e do tempo-frequência foram extraídas dos sinais recolhidos e processados para treinar o classificador. Para testar a estrutura, um conjunto de marchas patológicas e normais foram utilizadas para treinar um modelo e testar o classificador.