DOI: https://doi.org/10.1186/s13102-023-00792-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38167148
تاريخ النشر: 2024-01-02
المؤلف: Yi He وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
**نظرة عامة**
تهدف هذه الدراسة إلى تقييم دقة وموثوقية اختبار إعادة الاختبار لنظام وحدة القياس القابلة للارتداء (IMU) لتحليل المشي لدى الإناث الأصحاء، مقارنةً بنظام التقاط الحركة البصرية القياسي (OMC). تم جمع البيانات من خمس مشاركات شابات أصحاء قمن بأداء 50 تكرارًا للمشي على مسار بطول 7 أمتار، مع وضع علامات من كلا النظامين بشكل متزامن. تم تعريف دورات المشي الصالحة بناءً على تزامن مواقع المشاركات مع إشارات العلامات الصالحة من نظام OMC، مما أدى إلى تضمين خمس دورات مشي في التحليل النهائي. تم تحليل المعلمات المكانية الزمنية الرئيسية—طول الخطوة، التردد، السرعة، مرحلة الوقوف، ومرحلة التأرجح—باستخدام نموذج مختلط خطي عام، مع تطبيق اختبار ويلكوكسون لمتوسط الفروق وحساب معامل الارتباط داخل الفئة (ICC) لتقييم الموثوقية.
أظهرت النتائج أن المعلمات المكانية الزمنية التي تم قياسها بواسطة كل من نظامي IMU وOMC كانت قابلة للمقارنة، مما يشير إلى إمكانية التبادل في قياسات المشي. لوحظت موثوقية ممتازة بين المقيمين (ICC > 0.9) لمرحلة الوقوف، مرحلة التأرجح، السرعة، والتردد، بينما أظهر طول الخطوة موثوقية ضعيفة إلى متوسطة (ICC = 0.36 لليسار، ICC = 0.56 لليمين). أظهر نظام IMU تكرارية في قياساته. في الختام، يعد نظام IMU بديلاً موثوقًا لتحليل المشي، خاصةً لمرحلة الوقوف، مرحلة التأرجح، السرعة، والتردد، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقيق في قياسات طول الخطوة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية تحليل المشي في تقييم الحركة البشرية، مع التركيز على أنماط المشي، الأوضاع، التوازن، والقدرة العامة على المشي. يخدم تحليل المشي تطبيقات متنوعة، بما في ذلك تقييم المرضى الذين يعانون من اضطرابات عصبية، أمراض العضلات والعظام، والخرف لدى كبار السن، بالإضافة إلى تطوير خطط إعادة تأهيل شخصية وتعزيز الأداء الرياضي. يتم استخدام تقنيات متنوعة، وخاصة أنظمة التقاط الحركة وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء المعتمدة على وحدات القياس القابلة للارتداء (IMUs)، في تحليل المشي، حيث تكتسب IMUs زخمًا بسبب حجمها الأصغر وفعاليتها من حيث التكلفة مقارنةً بأنظمة التقاط الحركة البصرية (OMC).
تسلط الورقة الضوء على الأبحاث السابقة التي تؤكد استخدام IMUs لتحليل المشي، مما يظهر موثوقيتها في قياس زوايا مفاصل الأطراف السفلية والنتائج البيوميكانيكية أثناء المشي. ومع ذلك، تشير إلى ندرة الدراسات التي تقارن مباشرة بين IMUs وأنظمة OMC، التي تعتبر المعيار الذهبي في التقاط الحركة ولكن لها قيود في البيئات السريرية بسبب تكلفتها وتعقيدها التشغيلي. لمعالجة هذه الفجوة، تهدف الدراسة إلى تقييم دقة وموثوقية إعادة الاختبار لنظام IMU مقابل نظام OMC باستخدام بيانات تحليل المشي من البالغين الأصحاء، مما يعزز قابلية تطبيق IMUs في التشخيصات السريرية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن كل من نظام وحدة القياس القابلة للارتداء (IMU) ونظام التقاط الحركة البصرية (OMC) أظهرا تكرارية جيدة في قياس المعلمات الزمنية المكانية للمشي. باستخدام نموذج مختلط خطي عام، حقق نظام IMU تكرارية عالية عبر مراحل مختلفة، بما في ذلك الوقوف (P = 0.75)، التأرجح (P = 0.75)، السرعة (P = 0.12)، التردد (P = 0.83)، وطول الخطوة (P = 0.72). وبالمثل، أظهر نظام OMC تكرارية قابلة للمقارنة مع الوقوف (P = 0.24)، التأرجح (P = 0.24)، السرعة (P = 0.78)، التردد (P = 0.45)، وطول الخطوة (P = 0.65). كشف اختبار ويلكوكسون لمجموع الرتب أن القياسات من كلا النظامين كانت مشابهة إحصائيًا لمعظم المعلمات، مع ظهور فرق كبير في طول الخطوة (P = 0.05).
فيما يتعلق بموثوقية المقيم، أشار معامل الارتباط داخل الفئة (ICC) إلى ارتباط ممتاز (ICC > 0.9) لمرحلة الوقوف، التأرجح، السرعة، والتردد، بينما أظهر طول الخطوة ارتباطًا ضعيفًا إلى متوسط (ICC = 0.36 لليسار، ICC = 0.56 لليمين). كانت الفروق المتوسطة بين نظامي IMU وOMC ضئيلة لمرحلتَي الوقوف والتأرجح، بينما كانت الفروق في السرعة والتردد أكبر قليلاً. أكدت تحليل بلاند-ألتمن أن جميع المعلمات الزمنية المكانية كانت ضمن حدود الاتفاق 95%. علاوة على ذلك، كانت كفاءة جمع البيانات أعلى بشكل ملحوظ في نظام IMU، بمتوسط 282 دورة مشي في 20 دقيقة، مقارنةً بـ 10 دورات فقط لنظام OMC، مما يبرز أداء IMU المتفوق في التقاط ديناميات المشي.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم دقة وموثوقية اختبار إعادة الاختبار لنظام وحدة القياس القابلة للارتداء (IMU) لتحليل المشي مقابل نظام التقاط الحركة البصرية القياسي (OMC). شمل التحليل خمس مشاركات إناث أصحاء، مع جمع بيانات المشي من خلال كلا النظامين أثناء مهمة مشي محكومة. أظهرت النتائج أن نظام IMU أظهر تكرارية جيدة وتوافقًا عاليًا مع نظام OMC عبر مختلف المعلمات الزمنية المكانية، بما في ذلك مرحلة الوقوف، مرحلة التأرجح، السرعة، والتردد، كما هو موضح في مخططات بلاند-ألتمن ومعاملات الارتباط داخل الفئة (ICCs).
ومع ذلك، وُجد أن قياس طول الخطوة باستخدام نظام IMU كان أقل موثوقية، وقد يتأثر بالاختلافات الفردية في الطول والوزن. بينما تتماشى الدراسة مع الأبحاث السابقة التي تؤكد استخدام IMUs لتحليل المشي، فإنها تؤكد على الحاجة إلى مزيد من التحسين في قياس طول الخطوة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن نظام IMU هو بديل قابل للتطبيق لنظام OMC لتحليل المشي، مع مزايا كبيرة في معدلات استخراج البيانات وقدرات المراقبة المستمرة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز دقة تقييمات طول الخطوة للاستفادة الكاملة من إمكانيات تكنولوجيا IMU في تحليل المشي السريري.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود تؤثر على تفسير وعمومية نتائجها. أولاً، حجم العينة الصغيرة يحد من قابلية تطبيق النتائج على مجموعة سكانية أوسع، مما قد يؤدي إلى إدخال تحيزات. ستسعى الأبحاث المستقبلية إلى زيادة حجم العينة لتعزيز موثوقية واستقرار التحليلات الإحصائية. ثانيًا، يقتصر التركيز الحصري على الإناث البالغات على تنوع العينة، مما يشير إلى أن النتائج قد لا تكون قابلة للتطبيق على مجموعات ديموغرافية أخرى. ستسعى الدراسات المستقبلية إلى تضمين مشاركين بخصائص متنوعة لتحسين تباين العينة وتوفير فهم أكثر شمولاً لدقة نظام وحدة القياس القابلة للارتداء (IMU) في بيانات المشي عبر مجموعات سكانية مختلفة.
بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم أنظمة IMU المستخدمة في الدراسة بشكل أساسي لاكتشاف حركات الكاحل، مما قد يؤدي إلى عدم الدقة عند مقارنة البيانات عبر الأفراد ذوي الأطوال والأوزان المختلفة. تؤكد هذه القيود على ضرورة تفسير النتائج بحذر، خاصة عند تطبيقها على مجموعات سكانية متنوعة. سيكون من الضروري معالجة هذه القيود في الأبحاث المستقبلية لتعزيز قوة وعمومية استنتاجات الدراسة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s13102-023-00792-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38167148
Publication Date: 2024-01-02
Author(s): Yi He et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
**Overview**
This study aimed to evaluate the accuracy and test-retest reliability of a wearable inertial measurement unit (IMU) system for gait analysis in healthy females, comparing it to a gold-standard optoelectronic motion capture (OMC) system. Data were collected from five healthy young female participants who performed 50 walking repetitions on a 7-meter path, with markers from both systems attached simultaneously. Valid gait cycles were defined based on the synchronization of the participants’ positions with valid marker signals from the OMC system, leading to the inclusion of five gait cycles in the final analysis. Key spatio-temporal parameters—stride length, cadence, velocity, stance phase, and swing phase—were analyzed using a generalized linear mixed model, with the Wilcoxon rank-sum test applied for mean differences and the Intra-class Correlation Coefficient (ICC) calculated for reliability assessment.
The findings revealed that spatio-temporal parameters measured by both the IMU and OMC systems were comparable, suggesting interchangeability for gait measurements. Excellent intra-rater reliability (ICC > 0.9) was observed for stance phase, swing phase, velocity, and cadence, while stride length showed poor to medium reliability (ICC = 0.36 for left, ICC = 0.56 for right). The IMU system demonstrated repeatability in its measurements. In conclusion, the IMU system is a reliable alternative for gait analysis, particularly for stance phase, swing phase, velocity, and cadence, although further investigation is warranted for stride length measurements.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of gait analysis in evaluating human movement, focusing on walking patterns, postures, balance, and overall walking ability. Gait analysis serves various applications, including assessing patients with neurological disorders, musculoskeletal diseases, and geriatric dementia, as well as developing personalized rehabilitation plans and enhancing athletic performance. Various technologies, particularly motion capture systems and wearable sensors based on inertial measurement units (IMUs), are employed in gait analysis, with IMUs gaining traction due to their smaller size and cost-effectiveness compared to optical motion capture (OMC) systems.
The paper highlights previous research validating the use of IMUs for gait analysis, demonstrating their reliability in measuring lower-extremity joint angles and biomechanical outcomes during walking. However, it notes a scarcity of studies directly comparing IMUs to OMC systems, which are regarded as the gold standard in motion capture but have limitations in clinical settings due to their cost and operational complexity. To address this gap, the study aims to evaluate the accuracy and retest reliability of the IMU system against the OMC system using gait analysis data from healthy adults, thereby enhancing the applicability of IMUs in clinical diagnostics.
Results
The results of the study indicate that both the Inertial Measurement Unit (IMU) and Optical Motion Capture (OMC) systems demonstrated good repeatability in measuring spatiotemporal gait parameters. Using a generalized linear mixture model, the IMU system yielded high repeatability across various phases, including stance (P = 0.75), swing (P = 0.75), velocity (P = 0.12), cadence (P = 0.83), and stride length (P = 0.72). Similarly, the OMC system showed comparable repeatability with stance (P = 0.24), swing (P = 0.24), velocity (P = 0.78), cadence (P = 0.45), and stride length (P = 0.65). The Wilcoxon rank sum test revealed that the measurements from both systems were statistically similar for most parameters, with stride length showing a significant difference (P = 0.05).
In terms of intra-rater reliability, the Intraclass Correlation Coefficient (ICC) indicated excellent correlation (ICC > 0.9) for stance, swing, velocity, and cadence, while stride length exhibited poor to medium correlation (ICC = 0.36 for left, ICC = 0.56 for right). The mean differences between the IMU and OMC systems were minimal for stance and swing phases, while the differences in velocity and cadence were slightly larger. Bland-Altman analysis confirmed that all spatiotemporal parameters fell within the 95% limits of agreement. Furthermore, data acquisition efficiency was markedly higher in the IMU system, with an average of 282 gait cycles in 20 minutes, compared to just 10 cycles for the OMC system, highlighting the IMU’s superior performance in capturing gait dynamics.
Discussion
In this study, the accuracy and test-retest reliability of a wearable inertial measurement unit (IMU) system for gait analysis were evaluated against a gold-standard optoelectronic motion capture (OMC) system. The analysis involved five healthy female participants, with gait data collected through both systems during a controlled walking task. The findings demonstrated that the IMU system exhibited good repeatability and high consistency with the OMC system across various spatio-temporal parameters, including stance phase, swing phase, velocity, and cadence, as indicated by Bland-Altman plots and intraclass correlation coefficients (ICCs).
However, the measurement of stride length using the IMU system was found to be less reliable, potentially influenced by individual differences in height and weight. While the study aligns with previous research validating the use of IMUs for gait analysis, it emphasizes the need for further refinement in stride length measurement. Overall, the results suggest that the IMU system is a viable alternative to the OMC system for gait analysis, with significant advantages in data extraction rates and continuous monitoring capabilities. Future research should focus on enhancing the accuracy of stride length assessments to fully leverage the potential of IMU technology in clinical gait analysis.
Limitations
The study presents several limitations that impact the interpretation and generalizability of its findings. Firstly, the small sample size restricts the applicability of the results to a broader population, potentially introducing biases. Future research will aim to increase the sample size to enhance the reliability and stability of statistical analyses. Secondly, the exclusive focus on female adults limits the diversity of the sample, suggesting that results may not be applicable to other demographic groups. Future studies will seek to include participants with varied characteristics to improve the heterogeneity of the sample and provide a more comprehensive understanding of the Inertial Measurement Unit (IMU) system’s accuracy in gait data across different populations.
Additionally, the IMU systems utilized in the study are primarily designed to detect ankle movements, which may lead to inaccuracies when comparing data across individuals with varying heights and weights. This limitation underscores the necessity of cautious interpretation of the findings, particularly when applying them to diverse populations. Addressing these limitations in future research will be essential for enhancing the robustness and applicability of the study’s conclusions.