https://www.mdu.se/

Health care costs have increased over the last decades due to an ageing population. Therefore, research in personal health monitoring (PHM) has increased in response to this. PHM has advantages such as mobility (monitoring of health at work or at home), early detection of health problems enabling preventive health measures and a reduction of health care cost. Human motion analysis, using for example inertial measurement units and pedobarography, is an important subcategory of PHM. Pedobarography (PBG) is the study of pressure fields acting between the plantar surface of the foot and a supporting surface. Gait and posture analysis, prosthetics evaluation and monitoring of recovery from injury or disease are examples of PBG applications. Portable PBG can be performed using force sensing resistors built into the insole inside the shoe.

In accordance with this, the research goal for this licentiate thesis is to design, build and evaluate a wireless wearable measurement system based on pedobarography for monitoring of health. In order to fulfil the objectives of the research, literature studies were done and problems with existing in-shoe system solutions were identified. Thus, it was found that further opportunities existed for new designs of PBG systems which take these problems into account. Cross-sectional test case studies were used for validation. The research area is multidisciplinary and encompasses biomedical measurements, electronics and computer science.

The main research contributions include design and implementation of a PBG measurement system consisting of commercial off the shelf components, a novel method for selecting measurement samples for weight estimation of carried load during walk, and a novel method for analysing walking intensity using force-time integrals at the toe-off phase of the step. The research results suggest that the new PBG system, in combination with the two novel analysing methods, are suitable for use in wearable systems for monitoring of health. Personal health measurements are done to help decision making related to health. Thus, the future work will strive towards designing different decision support systems.

Kostnaderna för vår hälsovård har ökat de senaste årtiondena på grund av att vi lever allt längre. Till följd av detta har forskning inom personlig hälsomonitorering (PHM) ökat. PHM medför fördelar såsom rörlighet (hälsoövervakning på jobbet och i hemmet), tidig upptäckt av hälsoproblem medför möjlighet till åtgärd i ett tidigt skede samt en minskning av kostnaderna för hälsovård. Analys av människors rörelser, med hjälp av till exempel tröghetsmätare och pedobarografi, är en viktig underkategori inom PHM. Pedobarografi (PBG) är studien av tryckfält som uppstår på grund av krafter som verkar mellan fotens undersida och en uppbärande yta. Analys av gångstil och kroppshållning, utvärdering av proteser samt monitorering av återhämtning från skada eller sjukdom är exempel på tillämpningar av PBG. Portabel PBG kan exempelvis utföras med hjälp av resistiva kraftsensorer implementerade i skors inläggssulor.

I överrensstämmelse med detta är målet för forskningen i den här licentiatavhandlingen att designa, bygga och utvärdera ett trådlöst bärbart mätsystem baserat på pedobarografi för övervakning av hälsa. För att uppfylla forskningsmålet utfördes litteraturstudier och problem med existerande skobaserade system identifierades. Tvärsnittsstudier användes vid valideringen. Forskningsområdet är tvärvetenskapligt och omfattar biomedicinska mätningar, elektronik och datavetenskap.

De främsta vetenskapliga bidragen inkluderar design och implementering av ett pedobarografiskt mätsystem bestående av öppet tillgängliga komponenter, en ny metod för att välja ut uppmätta värden för uppskattning av vikt av buren last under gång, samt en ny analysmetod för gångintensitet med hjälp av kraft-tidsintegraler i stegets avstampsfas. Forskningsresultaten implicerar att det nya pedobarografisystemet, i kombination med de två nya analysmetoderna, är lämpliga att användas i bärbara system för övervakning av hälsa. Mätningar vid personlig hälsomonitorering utförs för att hjälpa till vid beslutsfattande som rör hälsa. Följaktligen strävar framtida forskning mot design av olika beslutsstödsystem.

Health care costs have increased over the last decades due to an ageing population. Therefore, research in personal health monitoring (PHM) has increased in response to this. PHM has advantages such as mobility (monitoring of health at work or at home), early detection of health problems enabling preventive health measures and a reduction of health care cost. Human motion analysis, using for example pedobarography (PBG), is an important subcategory of PHM. PBG is used to study the force fields acting between the plantar surface of the foot and a supporting surface. Gait and posture analysis, prosthetics evaluation and monitoring of recovery from injury or disease are examples of PBG applications. Portable PBG can be performed using force sensing resistors built into the insole inside the shoe.

 In accordance with this, the research aim for this thesis is to design, build and evaluate a wireless wearable measurement system based on PBG for monitoring of walk related parameters. Monitoring of carried weight and walking speed were chosen as the applications for validation of the system. Motivations for choosing these applications are that there is a lack of a wearable system for monitoring of weight while walking and a possible combination with accelerometers to improve the estimation of walking speed. Both walking speed and weight are important factors for estimating energy expenditure. A portable system, that estimates weight while walking, enables monitoring of heavy working conditions.

The main research contributions include design of a PBG measurement system with a sensor implementation resulting in good sensor durability, several novel methods for weight estimation during walk and a novel method for analysing walking intensity and relating it to walking speed. The research results show that the new PBG system, in combination with the novel analysing methods, are suitable for use in wearable systems for monitoring of health related walk parameters.

Kostnaderna för sjukvård har ökat de senaste decennierna på grund av att vi lever allt längre. Därför så har forskningen inom personlig hälsomonitorering (PHM) ökat som ett svar på detta. PHM har fördelar såsom mobilitet (monitorering av hälsa på jobbet eller i hemmet), tidig upptäckt av hälsoproblem gör det möjligt att sätta in förebyggande åtgärder för hälsa och reducera kostnaden för sjukvård. Rörelseanalys på människor, med hjälp av till exempel pedobarografi (PBG), är en viktig underkategori av PHM. PBG används för att studera kraftfält som verkar mellan fotens undersida och en uppbärande yta. Analys av gångstil och kroppshållning, utvärdering av proteser och övervakning av återhämtning från skada eller sjukdom är exempel på tillämpningar för PBG.

 I överrensstämmelse med detta är syftet för forskningen i den här avhandlingen att utforma, bygga och utvärdera ett trådlöst och bärbart mätsystem som bygger på PBG för övervakning av gångrelaterade parametrar. Övervakning av buren vikt och gånghastighet valdes som tillämpningarna för att utvärdera systemet. Motiveringar för att välja dessa tillämpningar är att det finns en brist på bärbara system för övervakning av vikt under gång och att en möjlig kombination med accelerometrar kan förbättra uppskattningen av gånghastighet. Både gånghastighet och vikt är viktiga faktorer vid uppskattning av energiförbrukning. Ett portabelt system, som uppskattar vikt under gång, möjliggör övervakning av tunga arbetsförhållanden.

 De främsta forskningsbidragen inkluderar utformningen av ett mätsystem baserat på PBG med sensorimplementering som ger lång livslängd för sensorerna, flera nya analysmetoder för uppskattning av vikt under gång och en ny analysmetod för gångintensitet som relateras till gånghastighet. Forskningsresultaten visar på att det nya PBG-systemet, i kombination med de nya analysmetoderna, är passande för användning i bärbara system för övervakning av hälsorelaterade gångparametrar.