Development on wireless IMU sensors for biomechanical assessments

Abstract

Measuring human movement and posture is an important area of research for biomedical engineering and rehabilitation. These measurements can be used to evaluate functional performance under normal and abnormal conditions and aid in clinical assessment. An increasingly popular method to measure human kinematics is by placing sensors known as Inertial Measurement Units (IMUs) at specific locations on the body to measure the motion of interest. These sensors measure acceleration and angular momentum, which can be used to assess human kinematics. Today it is also common for these devices to incorporate wireless technology such as the increasingly ubiquitous Bluetooth technology into their system, making it even easier to set up and start measuring without the need for cumbersome cables. The objective of this thesis was to assess the viability of re-purposing the NeckSmart v2 wireless IMUs in development by NeckCare, for use beyond their initial purpose of measuring and analyzing neck mobility. This was done by modifying the IMUs and implementing a multi-sensor wireless network to measure other kinematics. With the focus being on measuring flexion/extension of the knee. An analysis had to be made on what inertial data would be required to make these types of measurements. Adjustments were then made to the embedded software of the sensors to be able to wirelessly send required data with sufficient throughput. Software was also created to concurrently communicate with the sensors and take read the measurements from two or more wireless IMUs at the same time. The modifications made to the sensors were then validated by using them to measure the kinematics of the knee during gait.

Mæling á hreyfingum og líkamsstöðu manna er mikilvægt rannsóknarsvið fyrir endurhæfingu og heilbrigðis verkfræði. Slíkar mælingar er hægt að nota til að meta virkni við eðlilegar og óeðlilegar aðstæður og aðstoða við klínískt mat. Sífellt vinsælli aðferð til að mæla hreyfigetu mannsins er með því að setja skynjara sem kallast Tregðunema á líkamanum til að mæla hreyfingu sem verið er að meta. Þessar gerðir skynjara mæla hröðun og skriðþunga, sem hægt er að nota til að meta hreyfihvörf mannsins. Í dag er líka algengt að þessi tæki innihaldi einnig þráðlausa senda, sem gerir það enn auðveldara að setja upp og byrja að mæla. Markmið þessa verkefnis var að meta hvort að hægt væri að endurnýta NeckSmart v2 þráðlausu tregðunema sem eru voru í þróun hjá NeckCare, til notkunar umfram upphaflegan tilgang, sem er mæla og greina hreyfanleika háls. Vonin var að hægt væri að nýta þessa nema til að mæla aðra hreyfingar, með áherslu á að mæla beygju/teygjur í hné. Gera þurfti greiningu á því hvaða gögn þyrfti til að gera þessar tegundir mælinga. Breytingar voru síðan gerðar á innbyggðum hugbúnaði skynjaranna til að geta sent nauðsynleg gögn þráðlaust með nægum afköstum. Hugbúnaður var einnig gerður til að hafa samskipti við skynjarana samtímis og lesa mælingarnar frá tveimur eða fleiri þráðlausum tregðunemum á sama tíma. Breytingarnar sem gerðar voru á skynjurunum voru síðan staðfestar með því að nýta til að mæla hreifingu hnésins við göngu.