Soft tissue artifact distribution on lower limbs during treadmill gait: Influence of skin markers' location on cluster design.

Segment poses and joint kinematics estimated from skin markers are highly affected by soft tissue artifact (STA) and its rigid motion component (STARM). While four marker-clusters could decrease the STA non-rigid motion during gait activity, other data, such as marker location or STARM patterns, would be crucial to compensate for STA in clinical gait analysis. The present study proposed 1) to devise a comprehensive average map illustrating the spatial distribution of STA for the lower limb during treadmill gait and 2) to analyze STARM from four marker-clusters assigned to areas extracted from spatial distribution. All experiments were realized using a stereophotogrammetric system to track the skin markers and a bi-plane fluoroscopic system to track the knee prosthesis. Computation of the spatial distribution of STA was realized on 19 subjects using 80 markers apposed on the lower limb. Three different areas were extracted from the distribution map of the thigh. The marker displacement reached a maximum of 24.9mm and 15.3mm in the proximal areas of thigh and shank, respectively. STARM was larger on thigh than the shank with RMS error in cluster orientations between 1.2° and 8.1°. The translation RMS errors were also large (3.0mm to 16.2mm). No marker-cluster correctly compensated for STARM. However, the coefficient of multiple correlations exhibited excellent scores between skin and bone kinematics, as well as for STARM between subjects. These correlations highlight dependencies between STARM and the kinematic components. This study provides new insights for modeling STARM for gait activity.

Complexe d'épaule dans un contexte d'analyse tridimentionnel - Modélisation et mise en garde

L'épaule est un complexe articulaire formé par le thorax, la clavicule, la scapula et l'humérus. Alors que les orientation et position de ces derniers la rendent difficile à étudier, la compréhension approfondie de l'interrelation de ces segments demeure cliniquement importante. Ainsi, un nouveau modèle du membre supérieur est développé et présenté. La cinématique articulaire de 15 sujets sains est collectée et reconstruite à l'aide du modèle. Celle-ci s'avère être généralement moins variable et plus facilement interprétable que le modèle de référence. Parallèlement, l'utilisation de simplifications, issues de la 2D, sur le calcul d'amplitude de mouvement en 3D est critiquée. Cependant, des cas d'exception où ces simplifications s'appliquent sont dégagés et prouvés. Ainsi, ils sont une éventuelle avenue d'amélioration supplémentaire des modèles sans compromission de leur validé.

Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire.

Kinematic analysis of Labrador Retrievers and Rottweilers trotting on a treadmill

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The reconstruction of skeletal movement: the soft tissue artefact issue

In 3D human movement analysis performed using stereophotogrammetric systems and skin markers, bone pose can only be estimated in an indirect fashion. During a movement, soft tissue deformations make the markers move with respect to the underlying bone generating soft tissue artefact (STA). STA has devastating effects on bone pose estimation and its compensation remains an open question. The aim of this PhD thesis was to contribute to the solution of this crucial issue. Modelling STA using measurable trial-specific variables is a fundamental prerequisite for its removal from marker trajectories. Two STA model architectures are proposed. Initially, a thigh marker-level artefact model is presented. STA was modelled as a linear combination of joint angles involved in the movement. This model was calibrated using ex-vivo and in-vivo STA invasive measures. The considerable number of model parameters led to defining STA approximations. Three definitions were proposed to represent STA as a series of modes: individual marker displacements, marker-cluster geometrical transformations (MCGT), and skin envelope shape variations. Modes were selected using two criteria: one based on modal energy and another on the selection of modes chosen a priori. The MCGT allows to select either rigid or non-rigid STA components. It was also empirically demonstrated that only the rigid component affects joint kinematics, regardless of the non-rigid amplitude. Therefore, a model of thigh and shank STA rigid component at cluster-level was then defined. An acceptable trade-off between STA compensation effectiveness and number of parameters can be obtained, improving joint kinematics accuracy. The obtained results lead to two main potential applications: the proposed models can generate realistic STAs for simulation purposes to compare different skeletal kinematics estimators; and, more importantly, focusing only on the STA rigid component, the model attains a satisfactory STA reconstruction with less parameters, facilitating its incorporation in an pose estimator.

Caractérisation tridimensionnelle de l’amplitude articulaire de l’épaule

L’épaule est l’articulation la plus mobile et la plus instable du corps humain dû à la faible quantité de contraintes osseuses et au rôle des tissus mous qui lui confèrent au moins une dizaine de degrés de liberté. La mobilité de l’épaule est un facteur de performance dans plusieurs sports. Mais son instabilité engendre des troubles musculo-squelettiques, dont les déchirures de la coiffe des rotateurs sont fréquentes et les plus handicapantes. L’évaluation de l’amplitude articulaire est un indice commun de la fonction de l’épaule, toutefois elle est souvent limitée à quelques mesures planaires pour lesquelles les degrés de liberté varient indépendamment les uns des autres. Ces valeurs utilisées dans les modèles de simulation musculo-squelettiques peuvent amener à des solutions non physiologiques. L’objectif de cette thèse était de développer des outils pour la caractérisation de la mobilité articulaire tri-dimensionnelle de l’épaule, en passant par i) fournir une méthode et son approche expérimentale pour évaluer l’amplitude articulaire tridimensionnelle de l’épaule incluant des interactions entre les degrés de liberté ; ii) proposer une représentation permettant d’interpréter les données tri-dimensionnelles obtenues; iii) présenter des amplitudes articulaires normalisées, iv) implémenter une amplitude articulaire tridimensionnelle au sein d’un modèle de simulation numérique afin de générer des mouvements sportifs optimaux plus réalistes; v) prédire des amplitudes articulaires sécuritaires et vi) des exercices de rééducation sécuritaires pour des patients ayant subi une réparation de la coiffe des rotateurs. i) Seize sujets ont été réalisé séries de mouvements d’amplitudes maximales actifs avec des combinaisons entre les différents degrés de liberté de l’épaule. Un système d’analyse du mouvement couplé à un modèle cinématique du membre supérieur a été utilisé pour estimer les cinématiques articulaires tridimensionnelles. ii) L’ensemble des orientations définies par une séquence de trois angles a été inclus dans un polyèdre non convexe représentant l’espace de mobilité articulaire prenant en compte les interactions entre les degrés de liberté. La combinaison des séries d’élévation et de rotation est recommandée pour évaluer l’amplitude articulaire complète de l’épaule. iii) Un espace de mobilité normalisé a également été défini en englobant les positions atteintes par au moins 50% des sujets et de volume moyen. iv) Cet espace moyen, définissant la mobilité physiologiques, a été utilisé au sein d’un modèle de simulation cinématique utilisé pour optimiser la technique d’un élément acrobatique de lâcher de barres réalisée par des gymnastes. Avec l’utilisation régulière de limites articulaires planaires pour contraindre la mobilité de l’épaule, seulement 17% des solutions optimales sont physiologiques. En plus, d’assurer le réalisme des solutions, notre contrainte articulaire tridimensionnelle n’a pas affecté le coût de calculs de l’optimisation. v) et vi) Les seize participants ont également réalisé des séries d’amplitudes articulaires passives et des exercices de rééducation passifs. La contrainte dans l’ensemble des muscles de la coiffe des rotateurs au cours de ces mouvements a été estimée à l’aide d’un modèle musculo-squelettique reproduisant différents types et tailles de déchirures. Des seuils de contrainte sécuritaires ont été utilisés pour distinguer les amplitudes de mouvements risquées ou non pour l’intégrité de la réparation chirurgicale. Une taille de déchirure plus grande ainsi que les déchirures affectant plusieurs muscles ont contribué à réduire l’espace de mobilité articulaire sécuritaire. Principalement les élévations gléno-humérales inférieures à 38° et supérieures à 65°, ou réalisées avec le bras maintenu en rotation interne engendrent des contraintes excessives pour la plupart des types et des tailles de blessure lors de mouvements d’abduction, de scaption ou de flexion. Cette thèse a développé une représentation innovante de la mobilité de l’épaule, qui tient compte des interactions entre les degrés de liberté. Grâce à cette représentation, l’évaluation clinique pourra être plus exhaustive et donc élargir les possibilités de diagnostiquer les troubles de l’épaule. La simulation de mouvement peut maintenant être plus réaliste. Finalement, nous avons montré l’importance de personnaliser la rééducation des patients en termes d’amplitude articulaire, puisque des exercices passifs de rééducation précoces peuvent contribuer à une re-déchirure à cause d’une contrainte trop importante qu’ils imposent aux tendons.

Caractérisation tridimensionnelle de l’amplitude articulaire de l’épaule

L’épaule est l’articulation la plus mobile et la plus instable du corps humain dû à la faible quantité de contraintes osseuses et au rôle des tissus mous qui lui confèrent au moins une dizaine de degrés de liberté. La mobilité de l’épaule est un facteur de performance dans plusieurs sports. Mais son instabilité engendre des troubles musculo-squelettiques, dont les déchirures de la coiffe des rotateurs sont fréquentes et les plus handicapantes. L’évaluation de l’amplitude articulaire est un indice commun de la fonction de l’épaule, toutefois elle est souvent limitée à quelques mesures planaires pour lesquelles les degrés de liberté varient indépendamment les uns des autres. Ces valeurs utilisées dans les modèles de simulation musculo-squelettiques peuvent amener à des solutions non physiologiques. L’objectif de cette thèse était de développer des outils pour la caractérisation de la mobilité articulaire tri-dimensionnelle de l’épaule, en passant par i) fournir une méthode et son approche expérimentale pour évaluer l’amplitude articulaire tridimensionnelle de l’épaule incluant des interactions entre les degrés de liberté ; ii) proposer une représentation permettant d’interpréter les données tri-dimensionnelles obtenues; iii) présenter des amplitudes articulaires normalisées, iv) implémenter une amplitude articulaire tridimensionnelle au sein d’un modèle de simulation numérique afin de générer des mouvements sportifs optimaux plus réalistes; v) prédire des amplitudes articulaires sécuritaires et vi) des exercices de rééducation sécuritaires pour des patients ayant subi une réparation de la coiffe des rotateurs. i) Seize sujets ont été réalisé séries de mouvements d’amplitudes maximales actifs avec des combinaisons entre les différents degrés de liberté de l’épaule. Un système d’analyse du mouvement couplé à un modèle cinématique du membre supérieur a été utilisé pour estimer les cinématiques articulaires tridimensionnelles. ii) L’ensemble des orientations définies par une séquence de trois angles a été inclus dans un polyèdre non convexe représentant l’espace de mobilité articulaire prenant en compte les interactions entre les degrés de liberté. La combinaison des séries d’élévation et de rotation est recommandée pour évaluer l’amplitude articulaire complète de l’épaule. iii) Un espace de mobilité normalisé a également été défini en englobant les positions atteintes par au moins 50% des sujets et de volume moyen. iv) Cet espace moyen, définissant la mobilité physiologiques, a été utilisé au sein d’un modèle de simulation cinématique utilisé pour optimiser la technique d’un élément acrobatique de lâcher de barres réalisée par des gymnastes. Avec l’utilisation régulière de limites articulaires planaires pour contraindre la mobilité de l’épaule, seulement 17% des solutions optimales sont physiologiques. En plus, d’assurer le réalisme des solutions, notre contrainte articulaire tridimensionnelle n’a pas affecté le coût de calculs de l’optimisation. v) et vi) Les seize participants ont également réalisé des séries d’amplitudes articulaires passives et des exercices de rééducation passifs. La contrainte dans l’ensemble des muscles de la coiffe des rotateurs au cours de ces mouvements a été estimée à l’aide d’un modèle musculo-squelettique reproduisant différents types et tailles de déchirures. Des seuils de contrainte sécuritaires ont été utilisés pour distinguer les amplitudes de mouvements risquées ou non pour l’intégrité de la réparation chirurgicale. Une taille de déchirure plus grande ainsi que les déchirures affectant plusieurs muscles ont contribué à réduire l’espace de mobilité articulaire sécuritaire. Principalement les élévations gléno-humérales inférieures à 38° et supérieures à 65°, ou réalisées avec le bras maintenu en rotation interne engendrent des contraintes excessives pour la plupart des types et des tailles de blessure lors de mouvements d’abduction, de scaption ou de flexion. Cette thèse a développé une représentation innovante de la mobilité de l’épaule, qui tient compte des interactions entre les degrés de liberté. Grâce à cette représentation, l’évaluation clinique pourra être plus exhaustive et donc élargir les possibilités de diagnostiquer les troubles de l’épaule. La simulation de mouvement peut maintenant être plus réaliste. Finalement, nous avons montré l’importance de personnaliser la rééducation des patients en termes d’amplitude articulaire, puisque des exercices passifs de rééducation précoces peuvent contribuer à une re-déchirure à cause d’une contrainte trop importante qu’ils imposent aux tendons.

A comparison between joint coordinate system and attitude vector for multi-segment foot kinematics.

The joint angles of multi-segment foot models have been primarily described using two mathematical methods: the joint coordinate system and the attitude vector. This study aimed to determine whether the angles obtained through these two descriptors are comparable, and whether these descriptors have similar sensitivity to experimental errors. Six subjects walked eight times on an instrumented walkway while the joint angles among shank, hindfoot, medial forefoot, and lateral forefoot were measured. The angles obtained using both descriptors and their sensitivity to experimental errors were compared. There was no overall significant difference between the ranges of motion obtained using both descriptors. However, median differences of more than 6° were noticed for the medial-lateral forefoot joint. For all joints and rotation planes, both descriptors provided highly similar angle patterns (median correlation coefficient: R>0.90), except for the medial-lateral forefoot angle in the transverse plane (median R=0.77). The joint coordinate system was significantly more sensitive to anatomical landmarks misplacement errors. However, the absolute differences of sensitivity were small relative to the joints ranges of motion. In conclusion, the angles obtained using these two descriptors were not identical, but were similar for at least the shank-hindfoot and hindfoot-medial forefoot joints. Therefore, the angle comparison across descriptors is possible for these two joints. Comparison should be done more carefully for the medial-lateral forefoot joint. Moreover, despite different sensitivities to experimental errors, the effects of the experimental errors on the angles were small for both descriptors suggesting that both descriptors can be considered for multi-segment foot models.

Real-Time Joint Coupling of the Spine for Inverse Kinematics

In this paper we propose a simple model for the coupling behavior of the human spine for an inverse kinematics framework. Our spine model exhibits anatomically correct motions of the vertebrae of virtual mannequins by coupling standard swing and revolute joint models. The adjustement of the joints is made with several simple (in)equality constraints, resulting in a reduction of the solution space dimensionality for the inverse kinematics solver. By reducing the solution space dimensionality to feasible spine shapes, we prevent the inverse kinematics algorithm from providing infeasible postures for the spine.In this paper, we exploit how to apply these simple constraints to the human spine by a strict decoupling of the swing and torsion motion of the vertebrae. We demonstrate the validity of our approach on various experiments.

Evaluating Patellar Kinematics Through Magnetic Resonance Imaging During Open- and Closed-Kinetic-Chain Exercises

Purpose: To evaluate patellar kinematics of volunteers Without knee pain at rest and during isometric contraction in open- and closed-kinetic-chain exercises. Methods: Twenty individuals took part in this study. All were submitted to magnetic resonance imaging (MRI) during rest and voluntary isometric contraction (VIC) in the open anti closed kinetic chain at 15 degrees, 30 degrees, and 45 degrees of knee flexion. Through MRI and using medical e-film software, the following measurements were evaluated: sulcus angle, patellar-tilt angle, and bisect offset. The mixed-effects linear model was used for comparison between knee positions, between rest and isometric contractions, and between (he exercises. Results: Data analysis revealed that the sulcus angle decreased as knee flexion increased and revealed increases with isometric contractions in both the open and closed kinetic chain for all knee-flexion angles. The patellar-tilt angle decreased with isometric contractions in both the open and closed kinetic chain for every knee position. However, in the closed kinetic chain, patellar tilt increased significantly with the knee flexed at 15 degrees. The bisect offset increased with the knee flexed at 15 degrees during isometric contractions and decreased as knee flexion increased during both exercises. Conclusion: VIC in the last degrees of knee extension may compromise patellar dynamics. On the other hand, it is possible to favor patellar stability by performing muscle contractions with the knee flexed at 30 degrees and 45 degrees in either the open or closed kinetic chain.

Comparison of three-dimensional lower extremity running kinematics of young adult and elderly runners

The objective of this study was to compare the three-dimensional lower extremity running kinematics of young adult runners and elderly runners. Seventeen elderly adults (age 67-73 years) and 17 young adults (age 26-36 years) ran at 3.1ms-1 on a treadmill while the movements of the lower extremity during the stance phase were recorded at 120Hz using three-dimensional video. The three-dimensional kinematics of the lower limb segments and of the ankle and knee joints were determined, and selected variables were calculated to describe the movement. Our results suggest that elderly runners have a different movement pattern of the lower extremity from that of young adults during the stance phase of running. Compared with the young adults, the elderly runners had a substantial decrease in stride length (1.97 vs. 2.23m; P=0.01), an increase in stride frequency (1.58 vs. 1.37Hz; P=0.002), less knee flexion/extension range of motion (26 vs. 33; P=0.002), less tibial internal/external rotation range of motion (9 vs. 12; P0.001), larger external rotation angle of the foot segment (toe-out angle) at the heel strike (-5.8 vs. -1.0; P=0.009), and greater asynchronies between the ankle and knee movements during running. These results may help to explain why elderly individuals could be more susceptible to running-related injuries.

Joint forces and torques when walking in shallow water

This study reports for the first time an estimation of the internal net joint forces and torques on adults` lower limbs and pelvis when walking in shallow water, taking into account the drag forces generated by the movement of their bodies in the water and the equivalent data when they walk on land. A force plate and a video camera were used to perform a two-dimensional gait analysis at the sagittal plane of 10 healthy young adults walking at comfortable speeds on land and in water at a chest-high level. We estimated the drag force on each body segment and the joint forces and torques at the ankle, knee, and hip of the right side of their bodies using inverse dynamics. The observed subjects` apparent weight in water was about 35% of their weight on land and they were about 2.7 times slower when walking in water. When the subjects walked in water compared with walking on land, there were no differences in the angular displacements but there was a significant reduction in the joint torques which was related to the water`s depth. The greatest reduction was observed for the ankle and then the knee and no reduction was observed for the hip. All joint powers were significantly reduced in water. The compressive and shear joint forces were on average about three times lower during walking in water than on land. These quantitative results substantiate the use of water as a safe environment for practicing low-impact exercises, particularly walking. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Multi-segment foot kinematics after total ankle replacement and ankle arthrodesis during relatively long-distance gait.

This study aimed to investigate the influence of ankle osteoarthritis (AOA) treatments, i.e., ankle arthrodesis (AA) and total ankle replacement (TAR), on the kinematics of multi-segment foot and ankle complex during relatively long-distance gait. Forty-five subjects in four groups (AOA, AA, TAR, and control) were equipped with a wearable system consisting of inertial sensors installed on the tibia, calcaneus, and medial metatarsals. The subjects walked 50-m twice while the system measured the kinematic parameters of their multi-segment foot: the range of motion of joints between tibia, calcaneus, and medial metatarsals in three anatomical planes, and the peaks of angular velocity of these segments in the sagittal plane. These parameters were then compared among the four groups. It was observed that the range of motion and peak of angular velocities generally improved after TAR and were similar to the control subjects. However, unlike AOA and TAR, AA imposed impairments in the range of motion in the coronal plane for both the tibia-calcaneus and tibia-metatarsals joints. In general, the kinematic parameters showed significant correlation with established clinical scales (FFI and AOFAS), which shows their convergent validity. Based on the kinematic parameters of multi-segment foot during 50-m gait, this study showed significant improvements in foot mobility after TAR, but several significant impairments remained after AA.

Influence of the ankle arthropathies on the 3D kinematics of the lower limbs during gait: analysis with an ambulatory system.

Introduction: Ankle arthropathy is associated with a decreased motion of the ankle-hindfoot during ambulation. Ankle arthrodesis was shown to result in degeneration of the neighbour joints of the foot. Inversely, total ankle arthroplasty conceptually preserves the adjacent joints because of the residual mobility of the ankle but this has not been demonstrated yet in vivo. It has also been reported that degenerative ankle diseases, and even arthrodesis, do not result in alteration of the knee and hip joints. We present the preliminary results of a new approach of this problem based on ambulatory gait analysis. Patients and Methods: Motion analysis of the lower limbs was performed using a Physilog® (BioAGM, CH) system consisting of three-dimensional (3D) accelerometer and gyroscope, coupled to a magnetic system (Liberty©, Polhemus, USA). Both systems have been validated. Three groups of two patients were included into this pilot study and compared to healthy subjects (controls) during level walking: patients with ankle osteoarthritis (group 1), patients treated by ankle arthrodesis (group 2), patients treated by total ankle prosthesis (group 3). Results: Motion patterns of all analyzed joints over more than 20 gait cycles in each subject were highly repeatable. Motion amplitude of the ankle-hindfoot in control patients was similar to recently reported results. Ankle arthrodesis limited the motion of the ankle-hindfoot in the sagittal and horizontal planes. The prosthetic ankle allowed a more physiologic movement in the sagittal plane only. Ankle arthritis and its treatments did not influence the range of motion of the knee and hip joint during stance phase, excepted for a slight decrease of the hip flexion in groups 1 and 2. Conclusion: The reliability of the system was shown by the repeatability of the consecutive measurements. The results of this preliminary study were similar to those obtained through laboratory gait analysis. However, our system has the advantage to allow ambulatory analysis of 3D kinematics of the lower limbs outside of a gait laboratory and in real life conditions. To our knowledge this is a new concept in the analysis of ankle arthropathy and its treatments. Therefore, there is a potential to address specific questions like the difficult comparison of the benefits of ankle arthroplasty versus arthrodesis. The encouraging results of this pilot study offer the perspective to analyze the consequences of ankle arthropathy and its treatments on the biomechanics of the lower limbs ambulatory, in vivo and in daily life conditions.

Functional calibration procedure for 3D knee joint angle description using inertial sensors.

Measurement of three-dimensional (3D) knee joint angle outside a laboratory is of benefit in clinical examination and therapeutic treatment comparison. Although several motion capture devices exist, there is a need for an ambulatory system that could be used in routine practice. Up-to-date, inertial measurement units (IMUs) have proven to be suitable for unconstrained measurement of knee joint differential orientation. Nevertheless, this differential orientation should be converted into three reliable and clinically interpretable angles. Thus, the aim of this study was to propose a new calibration procedure adapted for the joint coordinate system (JCS), which required only IMUs data. The repeatability of the calibration procedure, as well as the errors in the measurement of 3D knee angle during gait in comparison to a reference system were assessed on eight healthy subjects. The new procedure relying on active and passive movements reported a high repeatability of the mean values (offset<1 degrees) and angular patterns (SD<0.3 degrees and CMC>0.9). In comparison to the reference system, this functional procedure showed high precision (SD<2 degrees and CC>0.75) and moderate accuracy (between 4.0 degrees and 8.1 degrees) for the three knee angle. The combination of the inertial-based system with the functional calibration procedure proposed here resulted in a promising tool for the measurement of 3D knee joint angle. Moreover, this method could be adapted to measure other complex joint, such as ankle or elbow.