Gait analysis has become a widely used clinical tool which provides objective evaluation of the gait pattern, the effects of surgical interventions, recovery or therapy progress, and more and more clinicians are choosing therapy treatments based on gait kinematics and kinetics. Measuring gait parameters is an important requirement in the orthopedic and rehabilitation fields, but also in sports and fitness, and development of technologies for elderly population. In order to provide objective evaluation of the gait pattern, we have developed sensor system with light and small wireless sensor units, which can be easily mounted on body. These sensor units comprise 3-D inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) and force sensing resistors, and our recommended setup includes one sensor unit per each segment of both legs. The main goal of this research is contribution to the methodology for processing of signals from inertial sensors (accelerometer pairs, or accelerometer and gyroscope sensor units). By using signal processing algorithms developed for this research, inertial sensors allow objective assessment of the quality of the gait pattern. This methodology is especially important for assessment of the motor deficit, progress of the disease and therapy effectiveness, and effectiveness of performed motor control (functional electrical stimulation). We have developed several methods for estimation of leg segment angles and joint angles, which differ in sensor configuration and algorithm complexity. Methods based only on accelerometers offer reliable angle estimations, which are limited to sagittal plane analysis, while the method using accelerometers and gyroscopes allows 3- D analysis. All this algorithms include sensor calibration, drift minimization, trajectory x reconstruction and calculation of numerous other parameters relevant to gait pattern analysis. The obtained results were compared with other commercial systems which are validated for clinical applications (camera systems, goniometers, encoders). This research also includes two clinical studies. The study with patients with Parkinson’s disease was performed at the Neurology Clinic, Clinical Centre of Serbia, in Belgrade. The other study, recording hemiplegic patients during their recovery after stroke, was performed at the Rehabilitation clinic “Dr. Miroslav Zotovic” in Belgrade. The database recorded in these two clinics comprises more than one hundred patients with different types and levels of gait impairments. The goal of these studies was to determine which specificities of the gait patterns or gait deformities require special signal processing methods, and which characteristics are essential for diagnostic of motor deficit. A special focus of the thesis is clinical application of the developed gait analysis algorithms for patients with PD, which required the development of specific algorithms for signal processing that would provide detailed assessment of their gait patterns. For this application, besides providing the usual gait parameters we developed the algorithms for recognition of the changes and deformities in gait pattern (freezing of gait), duration and classification of these episodes. This thesis also includes description of the clinical protocol for monitoring the rehabilitation effects for patients after stroke. The result of this research is a system that enables simple donning and doffing of the hardware, and simple use (both signal recording and processing). For this system, graphical user interface has been developed which enables processing of recorded files (gait sequences) by implementing the developed methods and plotting the kinematics curves, force profiles, spectrum of the movement or spatio-temporal gait parameters. As well as saving the obtained results in database or exporting to Excel format. Analiza hoda je postala široko rasprostranjen klinički alat koji se koristi za objektivnu evaluaciju obrasca hoda, efekata hirurških intervencija, oporavka ili efekata terapije. Sve veći broj kliničara bira pogodne tretmane za lečenje pacijenata na osnovu informacija o kinematici i kinetici hoda. Procena i kvantifikacija parametara hoda je važan zahtev u oblasti ortopedije i rehabilitacije, ali takođe i u sportu, rekreaciji i posebno u razvoju tehnologija za ljude u procesu starenja. U cilju objektivne procene obrasca hoda, razvijen je bežični senzorski sistem čije su senzorske jedinice bežične, malih dimenzija i jednostavno se montiraju na segmente nogu subjekta čiji se hoda analizira. Senzorske jedinice podržavaju 3D inercijalne senzore (senzore ubrzanja i ugaonih brzina, tj. akcelerometre i žiroskope), kao i senzore sile. Osnovni cilj istraživanja je doprinos metodologiji za obradu podataka sa inercijalnih senzora i razvoj novih metoda obrade signala sa inercijalnih senzora u procesu određivanja kinematičkih veličina koje su uobičajene u analizi hoda (uglovi u zglobovima, brzina kretanja, dužina koraka). Ova metodologija je od posebne važnosti za objektivnu procenu nivoa motornog deficita, progresa bolesti i efikasnosti terapija, kao i efikasnosti primenjene motorne kontrole (prilikom funkcionalne električne stimulacije). U toku istraživanja razvijeno je nekoliko metoda za računanje uglova segmenata nogu ili zglobova, u zavisnosti od senzorske konfiguracije i složenosti algoritma. U disertaciji su odvojeno prikazani slučajevi u kojima je neophodno posmatrati kretanje u prostoru (3D analiza) i mnogo češći slučaj kad se kinematika može redukovati na sagitalnu ravan (2D analiza). Algoritmi uključuju i kalibraciju senzora, eliminaciju viii drifta, rekonstrukciju trajektorije i izračunavanje niza drugih relevantnih podataka koji karakterišu obrazac hoda. Dobijeni rezultati su poređeni sa postojećim sistemima za analizu hoda koji su validirani za kliničke primene. (sistemi sa kamerama, goniometri, enkoderi). U toku istraživanja je, prema posebno definisanim modelima koje su odobrili etički komiteti medicinskih ustanova, bio snimljen hod većeg broja ispitanika sa raznim tipovima motornih deficita. Jedan deo ovih istraživanja je rađen na Klinici za neurologiju Kliničkog centra Srbije, a drugi deo u Institutu za rehabilitaciju „Dr. Miroslav Zotović“ u Beogradu. Cilj ovih kliničkih studija je bio da se na osnovu analize odredi koje specifičnosti moraju da se analiziraju posebnim metodama obrade signala, a koje daju značajne elemente za dijagnostiku motornog deficita. Poseban fokus teze je klinička primena razvijenih algoritama na analizu hoda pacijenata sa Parkinsonovom bolešću koji, osim uobičajene analize parametara hoda, omogućavaju prepoznavanje promena parametara hoda u okviru snimljene sekvence hoda, prepoznavanje poremećaja nastalih u toku snimljene sekvence hoda (tzv. „freezing“ epizode), određivanje njihovog trajanja i klasifikaciju podtipova svake od tih epizoda. Rezultat teze takodje obuhvata i opise kliničkog protokola za praćenje efekata terapije pacijenata nakon moždanog udara pomoću razvijenog senzorskog sistema. Rezultat ovog istraživanja je sistem koji omogućava jednostavno postavljanje i korišćenje sistema sa inercijalnim senzorima. Za ovaj sistem razvijen je korisnički interfejs koji omogućava obradu snimljenih podataka primenom razvijenih metoda sa ciljem generisanja objektivne slike motornog deficita pacijenta koji je od interesa za kliničare (prikaz vremensko-prostornih parametara hoda, uglova u zglobovima, trajektorije nogu, profila sila), kao i smeštanje dobijenih rezultata u bazu podataka ili izvoz u Excel formatu.