Inertial and magnetic sensors for upper limb kinematics: modeling, calibration, sensor fusion and clinical applications

The primary aim of the research activity presented in this PhD thesis was the development of an innovative hardware and software solution for creating a unique tool for kinematics and electromyographic analysis of the human body in an ecological setting. For this purpose, innovative algorithms have been proposed regarding different aspects of inertial and magnetic data elaboration: magnetometer calibration and magnetic field mapping (Chapter 2), data calibration (Chapter 3) and sensor-fusion algorithm. Topics that may conflict with the confidentiality agreement between University of Bologna and NCS Lab will not be covered in this thesis. After developing and testing the wireless platform, research activities were focused on its clinical validation. The first clinical study aimed to evaluate the intra and interobserver reproducibility in order to evaluate three-dimensional humero-scapulo-thoracic kinematics in an outpatient setting (Chapter 4). A second study aimed to evaluate the effect of Latissimus Dorsi Tendon Transfer on shoulder kinematics and Latissimus Dorsi activation in humerus intra - extra rotations (Chapter 5). Results from both clinical studies have demonstrated the ability of the developed platform to enter into daily clinical practice, providing useful information for patients' rehabilitation.

Valutazione cinematica complessiva, in vivo e sotto carico, di un modello protesico di caviglia a 3 componenti.

Nonostante le importanti ricadute che gli impianti protesici di caviglia hanno nella qualità della vita dei pazienti che si sottopongono ad intervento di sostituzione articolare, le reali proprietà biomeccaniche e cinematiche in-vivo e sotto carico degli impianti protesici sono state scarsamente studiate e descritte in letteratura. Lo scopo di questa trattazione è quella di valutare la cinematica protesica complessiva, in vivo, attraverso l’utilizzo dell’Analisi Radiostereometrica model-based (MB-RSA) e di ulteriori metodiche clinico-strumentali. La valutazione cinematica è stata permessa dall’analisi della posizione degli impianti attraverso la MB-RSA. Tra gli obiettivi secondari, i pazienti sono stati valutati clinicamente mediante AOFAS Ankle-Hindfoot score e SF-36, mediante full-body gait analysis con sensori inerziali e valutazione posturale-stabilometrica mediante Y Balance Test e workstation dedicata Delos DPPS. I pazienti sottoposti ad iter completo con valutazione clinica e strumentale a fine follow-up sono risultati 18 (2 drop-out). Il ROM complessivo a catena cinetica chiusa ha evidenziato una dorsi-plantarflessione complessiva media di 19.84°. Gli score clinici hanno mostrato tutti un netto miglioramento nel post-operatorio. La gait analysis ha evidenziato uno schema del passo composto dai tre principali spike e compatibile con schemi fisiologici. Dal punto di vista cinematico, i risultati angolari MB-RSA ricavati durante questo lavoro di tesi evidenziano tutti e 6 i gradi di libertà, dato coerente con la mobilità di una caviglia nativa. Valori di articolarità differenti sono stati registrati mediante sensori inerziali. Infine, in una valutazione cinematica complessiva, le possibili implicazioni sul bilanciamento posturale e propriocettivo presente nelle caviglie artrosiche e successivamente sottoposte a sostituzione protesica totale sono ampiamente descritte e discusse. I dati raccolti in questo lavoro di tesi rappresentano il risultato di una valutazione cinematica complessiva, e potranno aiutare a definire una tipologia di soggetto artrosico in cui i risultati siano verosimilmente migliori ed eventualmente a migliorare design e strumentari futuri.