Real-time Biomechanical Analysis of Human Movements Based on Wearable Sensors and Musculoskeletal Simulation

QC261002

Abstract

Mänsklig rörelse innehåller rik information om mobilitet, fysisk funktion och allmänt välbefinnande. Noggrann mätning och analys av rörelse är därför viktig för att identifiera funktionsnedsättningar, vägleda rehabilitering, optimera idrottsprestation och bidra till utvecklingen av hjälpmedel. Under de senaste åren har bärbara sensortekniker, såsom tröghetsmätenheter (IMU:er) och tryckmätningssulor, fått ökad uppmärksamhet som alternativ till konventionella laboratoriebaserade system för rörelseanalys. IMU:er kan användas för att uppskatta ledkinematik, medan tryckmätningssulor möjliggör mätning av plantar belastning och markreaktionskrafter. Jämfört med optiska rörelseanalyssystem och kraftplattor erbjuder bärbara sensorer större portabilitet och tillgänglighet, med potential för användning i såväl kliniska miljöer som hemmiljöer. Trots dessa fördelar är uppskattning av interna biomekaniska parametrar, såsom ledmoment och muskelaktivering, fortfarande utmanande eftersom det kräver integrering av flera sensormodaliteter med biomekaniska modeller. För att möta denna utmaning utvecklades ett integrerat system för biomekanisk analys som kombinerar multimodal bärbar sensorteknik med muskuloskeletal simulering för realtidsuppskattning av ledkinematik och kinetik. Genom att tillhandahålla biomekaniska uppskattningar direkt under rörelse, utan omfattande efterbearbetning, har systemet potential att möjliggöra omedelbar bedömning och återkoppling inom klinik, rehabilitering och vardagsnära miljöer. Avhandlingen omfattar två studier som undersöker det utvecklade systemets validitet och tillämpning. I båda studierna utvärderades det bärbara systemet parallellt med ett konventionellt laboratoriebaserat referenssystem under ett antal vanligt förekommande aktiviteter, inklusive statiskt stående, funktionella rörelseuppgifter och gång under olika förhållanden.

I den första studien undersöktes nio personer utan funktionsnedsättning för att validera det bärbara systemet mot ett laboratoriebaserat referenssystem. Ledvinklar, ledmoment och muskelaktivering utvärderades under ett flertal rörelseuppgifter. Det bärbara systemet visade överlag god överensstämmelse för ledvinklar i sagittalplanet och för fotledsmoment. Större avvikelser observerades för knä- och höftledsmoment under gång, vilket sannolikt delvis berodde på att tryckmätningssulorna inte kunde mäta skjuvkrafter. Muskelaktivering uppskattad med statisk optimering uppvisade övergripande tidsmönster som överensstämde med elektromyografi under olika rörelseförhållanden. En preliminär utvärdering av sensordrift visade dessutom att systemet kunde bibehålla stabila mätningar under minst fem minuters kontinuerlig rörelse.

I den andra studien undersöktes sex personer med transtibial amputation för att ytterligare utvärdera det bärbara systemets validitet i en klinisk population. Ledvinklar, ledmoment och vertikala markreaktionskrafter uppskattade med det bärbara systemet jämfördes med laboratoriebaserade mätningar under olika funktionella aktiviteter. Systemet visade god överensstämmelse för ledvinklar och vertikala markreaktionskrafter, medan noggrann uppskattning av ledmoment huvudsakligen var begränsad till fotleden. De validerade parametrarna användes därefter för att kvantifiera asymmetri mellan extremiteterna. Analysen visade tydliga skillnader i fotledens rörelseomfång och belastningsfördelning, särskilt avseende toppvärde och impuls för vertikal markreaktionskraft och fotledsmoment. Flera asymmetrimått, framför allt sådana relaterade till belastning, var dessutom associerade med kliniska mått på mobilitet, såsom genomförandetid i Timed Up and Go (TUG).

Sammantaget stödjer resultaten validiteten och den potentiella kliniska tillämpbarheten hos det integrerade bärbara systemet för biomekanisk analys i realtid. Möjligheten att omedelbart uppskatta ledkinematik, extern belastning och utvalda interna biomekaniska parametrar kan underlätta upprepade bedömningar under rehabilitering och utvärdering av protesfunktion. Samtidigt begränsar den nuvarande hårdvarukonfigurationen noggrannheten för vissa härledda parametrar, såsom proximala ledmoment. Ett viktigt bidrag från avhandlingen är därför identifieringen av vilka biomekaniska parametrar som kan uppskattas med tillräcklig noggrannhet samt i vilka funktionella sammanhang dessa parametrar är mest informativa. Framtida arbete kommer att bygga vidare på dessa validerade parametrar för att undersöka riktade kliniska och verklighetsnära tillämpningar, samtidigt som alternativa datadrivna metoder kan utforskas för att förbättra uppskattningen av biomekaniska variabler som fortfarande är svåra att bestämma med tillräcklig noggrannhet inom det nuvarande modellbaserade ramverket.

Link to DiVA