Gait analysis using a single wearable inertial measurement unit

Procedures for quantitative walking analysis include the assessment of body segment movements within defined gait cycles. Recently, methods to track human body motion using inertial measurement units have been suggested. It is not known if these techniques can be readily transferred to clinical measurement situations. This work investigates the aspects necessary for one inertial measurement unit mounted on the lower back to track orientation, and determine spatio-temporal features of gait outside the confines of a conventional gait laboratory. Apparent limitations of different inertial sensors can be overcome by fusing data using methods such as a Kalman filter. The benefits of optimizing such a filter for the type of motion are unknown. 3D accelerations and 3D angular velocities were collected for 18 healthy subjects while treadmill walking. Optimization of Kalman filter parameters improved pitch and roll angle estimates when compared to angles derived using stereophotogrammetry. A Weighted Fourier Linear Combiner method for estimating 3D orientation angles by constructing an analytical representation of angular velocities and allowing drift free integration is also presented. When tested this method provided accurate estimates of 3D orientation when compared to stereophotogrammetry. Methods to determine spatio-temporal features from lower trunk accelerations generally require knowledge of sensor alignment. A method was developed to estimate the instants of initial and final ground contact from accelerations measured by a waist mounted inertial device without rigorous alignment. A continuous wavelet transform method was used to filter and differentiate the signal and derive estimates of initial and final contact times. The technique was tested with data recorded for both healthy and pathologic (hemiplegia and Parkinson’s disease) subjects and validated using an instrumented mat. The results show that a single inertial measurement unit can assist whole body gait assessment however further investigation is required to understand altered gait timing in some pathological subjects.

L’analisi quantitativa del cammino include la definizione del movimento di segmenti corporei durante il ciclo del passo. Recentemente, sono stati proposti diversi metodi che studiano tale movimento utilizzando unità inerziali. Non è ancora chiaro se queste tecniche possano essere facilmente trasferite in ambito clinico. Il presente lavoro ha come obiettivo lo sviluppo e la validazione di metodi per la stima dell'orientamento di un’unità inerziale posizionata sulla pelvi e per la determinazione delle caratteristiche spazio-temporali durante il cammino. Le principali limitazioni relative alla stima dell'orientamento mediante unità inerziali possono essere superate utilizzando metodi quali il filtro di Kalman, i cui risultati sembrano dipendere dal compito motorio, o eliminando errori di deriva dall’integrazione della velocità angolare tramite algoritmi quali il Weighted Fourier Linear Combiner. Accelerazioni e velocità angolari 3D sono state misurate durante il cammino in 18 soggetti sani e i risultati validati tramite stereofotogrammetria. La stima dell’orientamento mediante un filtro di Kalman ottimizzato per il cammino e l’utilizzo di tecniche per la correzione della deriva forniscono stime dell'orientamento dell’unità inerziale con un’accuratezza dell’ordine di 1°. I metodi per determinare le caratteristiche spazio-temporali durante il cammino a partire dai dati misurati da un’unità inerziale posizionata sulla pelvi richiedono l’allineamento dell’unità rispetto all'anatomia del soggetto. È stato sviluppato un metodo per stimare gli istanti iniziali e finali di contatto del piede al suolo senza la necessità di effettuare un allineamento rigoroso. Il metodo si basa sul filtraggio e la differenziazione dei dati di accelerazione tramite l’uso di Wavelet. Questo metodo è stato testato su 18 soggetti sani e 23 patologici (esiti da ictus e malattia di Parkinson) e validato utilizzando un tappeto strumentato. I risultati del presente lavoro mostrano che è possibile effettuare una valutazione quantitativa del cammino mediante l'uso di un’unità inerziale posizionata sulla pelvi.