Inertial sensors for movement analysis of upper limbs: application on normal-weight and obese individuals

Quantitative human movement analysis provides accurate measures of postures and motion patterns and allows the recognition of their alterations due to pathologies or of the effects of rehabilitative treatments. The state of the art is based on marker-based optoelectronic stereophotogrammetric systems, usually integrated with force platforms and set up in dedicated laboratories. Modern wearable technologies allow to perform assessments on the field, which ensure the naturality of the gestures, concerning pathologies, that can be examined in outpatient context and out of the clinical environment. The objective of this research consists in the validation of a system based on inertial measurement units (IMUs) with respect to an optoelectronic marker-based stereophotogrammetric system, which is considered the gold standard, as a reliable solution for the assessment of obese subjects’ upper limb movements. Movements typical of daily activities, such as abduction, flexion and reaching of a target, were assessed. In order to validate this approach, normal-weight and obese subjects’ movements were compared. They were acquired by means of an optoelectronic system and an IMU-based system; normal-weight people’s evaluation happened at Politecnico di Milano, obese patients’ acquisitions at Istituto Auxologico Piancavallo. 15 normal-weight women and 15 men, 17 obese women and 6 men were involved. For the validation of the wearable approach, two optoelectronic systems were employed (Smart DX400, BTSBioengineering in Milan, and VICON 460, Oxford Metrics Ltd in Piancavallo) and a modified “plug-in gait” marker set was adopted. As a wearable technology, an IMU-based system was used (Awinda, Xsens). The acquired data were analyzed through workflow (Matlab, The Mathworks) to compare the estimated joint angles. Similarity metrics were adopted, such as LFM, CMC, RMSD and MAV; variations were assessed punctually with SPM and ROMs with B&A analysis. Bland-Altman analysis evidences good agreement between the measurements of the ranges of motions (ROMs) obtained by means of the two adopted systems considering both normal-weight and obese individuals. The biases of the shoulder joint (almost 100°) result relevant, the situation improves for the other joints. As far as normal-weight subjects are concerned, the standard deviations associated to the shoulder and the elbow are 10% and 42%, respectively. R2 > 0,5. As for obese subjects, the standard deviation associated to the shoulder is 40%. In this case, R2 < 0,5. Considering the shoulder joint, in both groups CMC > 0,8 in the principal plane of each movement. The angular coefficients found with the linear regression method for normal-weight subjects are near 1. These results are worse for obese subjects since they increased. In both groups the scalar addends are relevant. On the other hand, the R2 values approach 1 for the most significant angles of each gesture.The mean and the standard deviation of the joint angle were computed point by point. In this case the statistical tests on the extracted scalars did not reach significance both for normal weight and obese subjects (t* > 2); in contrast, SPM vector field analyses generally found significance (p < 0,001). An IMU-based methodology dedicated to obese subjects’ upper limb motion analysis was implemented and validated with respect to optoelectronic stereophotogrammetric systems, the gold standard, and considering possible scenarios of evaluations of the gestures in real situations. Similarities were highlighted between the measurements realized with the two system. Differences were noticed regarding the range of motion and the joint angles outside the plane of motion. They may be due to the complexity of the joints and to the kinematic models. Some discrepancies were connected to the position of the landmarks, which should be compensated. Critical issues increased with obese subjects because of soft tissue artefacts and cross-talking

L'analisi quantitativa del movimento umano fornisce una misura accurata di postura e gesti, consentendo l’identificazione di alterazioni dovute a patologie o trattamenti riabilitativi. Lo stato dell’arte è fondato su sistemi optoelettronici stereofotogrammetrici solitamente integrati con pedane di forza ed implementati in laboratori dedicati. Le moderne tecnologie “wearable” hanno permesso di realizzare applicazioni “su campo”, mantenendo la naturalità del gesto, indirizzate a patologie valutabili fuori del contesto ospedaliero. L’obiettivo dello studio è la validazione di un sistema basato su sensori inerziali (IMU) rispetto a uno optoelettronico stereofotogrammetrico, considerato il “gold standard”, per l’analisi del movimento degli arti superiori di soggetti obesi. Sono stati acquisiti ed analizzati gesti caratteristici delle attività quotidiane, come l’abduzione, la flessione e il raggiungimento di un target. Per i normopeso la sperimentazione si è svolta al Politecnico di Milano, per gli obesi all’Istituto Auxologico di Piancavallo. Sono stati reclutati 15 uomini e 15 donne normopeso, 17 donne e 6 uomini obesi. Per validare l’approccio “wearable”, sono stati utilizzati due sistemi optoelettronici (Smart DX400, BTSBioengineering a Milano, e VICON 460, Oxford Metrics Ltd a Piancavallo), implementando il protocollo “plug-in gait”. Come tecnologia indossabile è stato adottato un sistema basato su IMU (Awinda, Xsens). I dati acquisiti sono stati analizzati usando un workflow dedicato (Matlab, The Mathworks) per confrontare gli angoli articolari acquisiti dai due sistemi secondo metriche di similarità, quali LFM, CMC, RMSD e MAV; le variazioni sono state analizzate puntualmente con un approccio SPM e i ROM sono stati confrontati mediante analisi B&A. L’analisi di Bland-Altman evidenzia concordanza fra le misure dei range of motion ottenute mediante i due sistemi considerando sia individui normopeso che obesi. I bias dell’articolazione della spalla (circa 100°) risultano rilevanti, la situazione migliora per le altre articolazioni. Le deviazioni standard associate a spalla e gomito dei normopeso sono rispettivamente 10% e 42%. R2 > 0,5. Circa i soggetti obesi, la deviazione standard associata alla spalla è 40%. R2 < 0,5. Considerando l’articolazione della spalla, in entrambi i gruppi CMC > 0,8 nel piano principale di ogni movimento. I coefficienti angolari ricavati mediante regressione lineare, per i soggetti normopeso si avvicinano a 1. Questi risultati peggiorano per i soggetti obesi aumentando. In entrambi i gruppi i termini dell’intercetta sono rilevanti. D'altra parte, i valori di R2 si avvicinano a 1 per gli angoli più rappresentativi di ogni gesto. La media e la deviazione standard degli angoli articolari sono state calcolate puntualmente. In questo caso, i risultati dei test statistici non hanno raggiunto livelli soddisfacenti né per i soggetti normopeso, né per gli obesi (t* > 2); d’altro canto l’approccio Statistical Parametric Mapping ha restituito valori significativi (p < 0,001). Questo lavoro di tesi ha validato una metodologia indirizzata all’analisi del movimento degli arti superiori in soggetti obesi basato su IMU utilizzando sistemi optoelettronici stereofotogrammetrici come “gold standard”, e considerando possibili scenari di valutazione dei gesti nel mondo reale. I risultati hanno permesso una valutazione quantitativa della cinematica, evidenziando aspetti di similarità nelle misure realizzate con entrambi i sistemi. Sono state riscontrate differenze in termini di range of motion e circa gli angoli articolari fuori dal piano di movimento. Queste possono essere dovute alla complessità delle articolazioni e ai differenti modelli implementati nei sistemi. Alcune discrepanze sono legate alla definizione dei punti di repere che dovranno essere compensate. Con soggetti obesi, le criticità sono acuite da artefatti da tessuto molle e cross-talking