DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39161-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673441
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Jongsu Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: التوازن، والمشي، والوقاية من السقوط
نظرة عامة
يقدم هذا القسم تحليلًا مقارنًا للحركيات ثلاثية الأبعاد (3D) للكاحل باستخدام نظامي قياس مختلفين: تكوين بسيط لوحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) ونظام التقاط الحركة البصرية. يهدف البحث إلى تقييم دقة وموثوقية إعداد IMU في التقاط حركة الكاحل خلال ظروف المشي المختلفة، والتي قد تشمل سرعات وأراضي أو أوضاع مختلفة.
تشير النتائج إلى أنه بينما يوفر كلا النظامين بيانات قيمة حول حركيات الكاحل، توجد اختلافات في القياسات تحت ظروف معينة. أظهرت IMUs مستوى من الدقة يمكن مقارنته بالنظام البصري، خاصة في البيئات الخاضعة للرقابة. ومع ذلك، تم ملاحظة تباينات في سيناريوهات المشي الأكثر ديناميكية أو تعقيدًا، مما يشير إلى أن اختيار نظام القياس قد يؤثر بشكل كبير على تقييم حركة الكاحل في التطبيقات العملية. يسلط هذا البحث الضوء على إمكانيات IMUs للتحليل البيوميكانيكي مع التأكيد على الحاجة إلى النظر بعناية في قيودها في سياقات المشي المتنوعة.
مقدمة
تؤكد المقدمة على أهمية الحركيات ثلاثية الأبعاد (3D) للكاحل في تحليل المشي، وهو أمر حيوي لإعادة التأهيل السريري، والوقاية من الإصابات، والتقييم البيوميكانيكي. يعد قياس حركة المفاصل بدقة أمرًا أساسيًا لمراقبة التعافي الوظيفي وتشخيص اضطرابات المشي. بينما تعتبر أنظمة التقاط الحركة البصرية (OMCs) المعيار الذهبي بسبب دقتها العالية، إلا أنها تواجه قيودًا مثل القابلية للتأثر بفنون الأنسجة الرخوة، والتكاليف العالية، وتعقيد معالجة البيانات. وبالتالي، هناك اهتمام متزايد بأساليب بديلة مثل وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs)، التي تقدم مزايا في قابلية النقل، والفعالية من حيث التكلفة، وسهولة الاستخدام، حيث تتطلب فقط مستشعرًا واحدًا لكل جزء لالتقاط الحركيات ثلاثية الأبعاد.
على الرغم من إمكانيات IMUs، لا تزال هناك تحديات، خاصة القيود المنهجية التي ركزت تاريخيًا على حركيات المستوى السهمي، متجاهلة المستويات الأمامية والعرضية الحاسمة لفهم حركة الكاحل الوظيفية. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تم تجاهل آثار ظروف المشي المتنوعة، مما يؤثر على قابلية تطبيق IMUs في البيئات الواقعية. يهدف هذا البحث إلى تقييم موثوقية وصلاحية الحركيات ثلاثية الأبعاد للكاحل المقاسة بواسطة IMUs مقارنةً بـ OMCs تحت ظروف مشي متنوعة، باستخدام إعداد مستشعر بسيط. تفترض الفرضية أن القياسات المستمدة من IMU ستظهر توافقًا قويًا مع قياسات OMC عبر جميع المستويات التشريحية، مما يدعم جدوى تكوينات المستشعرات المبسطة لتقييمات دقيقة لحركيات الكاحل.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة، بما في ذلك البيانات الإحصائية، والاتجاهات الملحوظة، وأي ارتباطات تم تحديدها بين المتغيرات. عادةً ما تدعم النتائج الأشكال، والجداول، أو الرسوم البيانية التي تمثل البيانات بصريًا، مما يسمح بفهم أوضح لتداعيات النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يناقش القسم قوة النتائج، بما في ذلك أي اختبارات إحصائية ذات صلة تم إجراؤها للتحقق من النتائج. من الضروري أن يتم تفسير النتائج في سياق الأسئلة البحثية المطروحة سابقًا في الدراسة، مما يضمن أن الاستنتاجات المستخلصة مستندة إلى الأدلة التجريبية المقدمة. بشكل عام، يعد هذا القسم مكونًا حاسمًا من البحث، حيث يوفر الأساس للمناقشات والاستنتاجات اللاحقة.
المناقشة
تحقق الدراسة من التوافق والتكرارية لحركيات الكاحل ثلاثية الأبعاد المستندة إلى وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) مقارنةً بأنظمة التقاط الحركة البصرية (OMCs) عبر ظروف مشي متنوعة: الأرض المستوية، وزاوية الداخل، وزاوية الخارج. باستخدام طرق تحليل متعددة، بما في ذلك معامل الارتباط المتعدد (CMC)، ورسم الخرائط الإحصائية البارامترية (SPM1d)، والانحراف المعياري الجذري (RMSD)، ومعامل الارتباط داخل الفئة (ICC)، قام الباحثون بتقييم أداء تكوين مستشعر IMU بسيط. أشارت النتائج إلى وجود ارتباطات قوية في المستوى السهمي (CMC = 0.946) والمستوى العرضي (CMC = 0.822) خلال المشي المستوي، بينما أظهر المستوى الأمامي توافقًا أضعف (CMC = 0.273). من الجدير بالذكر أنه تم تحديد اختلافات كبيرة في فترات معينة من دورة المشي، خاصة في المستوى السهمي خلال مراحل الوقوف والتأرجح.
تحت ظروف زاوية الداخل، حافظت IMUs على توافق معقول في المستوى السهمي (CMC = 0.895) لكنها أظهرت انحرافات أكبر في المستوى الأمامي (12.6°). قدمت ظروف زاوية الخارج أكبر الاختلافات، خاصة في المستوى العرضي (CMC = 0.088)، مما يشير إلى أن التعقيد البيوميكانيكي لهذه الحالة أثر سلبًا على دقة IMU. على الرغم من هذه التحديات، ظلت تكرارية قياسات IMU عالية عبر جميع ظروف المشي (ICC > 0.912)، مما يشير إلى إمكانية تطبيقها في مراقبة المشي خارج البيئات المخبرية. تؤكد النتائج على الحاجة إلى تقنيات معايرة متقدمة لتعزيز تفسير حركات القدم والكاحل متعددة الأجزاء، خاصة في سيناريوهات المشي المعقدة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على طرق المعايرة الوظيفية وتقييمات الموثوقية الطولية لمزيد من التحقق من تطبيقات IMU في الفئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39161-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673441
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Jongsu Kim et al.
Primary Topic: Balance, Gait, and Falls Prevention
Overview
This section presents a comparative analysis of three-dimensional (3D) ankle kinematics using two different measurement systems: a minimal configuration of inertial measurement units (IMUs) and an optical motion capture system. The study aims to evaluate the accuracy and reliability of the IMU setup in capturing ankle movement during various walking conditions, which may include different speeds, terrains, or postures.
The findings indicate that while both systems provide valuable data on ankle kinematics, discrepancies exist in the measurements under certain conditions. The IMUs demonstrated a level of accuracy that is comparable to the optical system, particularly in controlled environments. However, variations were noted in more dynamic or complex walking scenarios, suggesting that the choice of measurement system may significantly impact the assessment of ankle motion in practical applications. This research underscores the potential of IMUs for biomechanical analysis while highlighting the need for careful consideration of their limitations in diverse walking contexts.
Introduction
The introduction emphasizes the importance of three-dimensional (3D) ankle kinematics in gait analysis, which is vital for clinical rehabilitation, injury prevention, and biomechanical assessment. Accurate joint motion measurement is essential for monitoring functional recovery and diagnosing gait abnormalities. While optical motion capture systems (OMCs) are considered the gold standard due to their high accuracy, they face limitations such as susceptibility to soft tissue artifacts, high costs, and complex data processing. Consequently, there is growing interest in alternative methods like inertial measurement units (IMUs), which offer advantages in portability, cost-effectiveness, and ease of use, requiring only a single sensor per segment for 3D kinematic capture.
Despite the potential of IMUs, challenges remain, particularly methodological limitations that have historically focused on sagittal plane kinematics, neglecting the frontal and transverse planes critical for understanding functional ankle movement. Additionally, the effects of varying walking conditions have often been overlooked, impacting the applicability of IMUs in real-world settings. This study aims to evaluate the reliability and validity of 3D ankle kinematics measured by IMUs compared to OMCs under diverse walking conditions, utilizing a minimal sensor setup. The hypothesis posits that IMU-derived measurements will show strong agreement with OMC measurements across all anatomical planes, thereby supporting the feasibility of simplified sensor configurations for accurate ankle kinematic assessments.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights the significant outcomes, including statistical data, observed trends, and any correlations identified between variables. The results are typically supported by figures, tables, or graphs that visually represent the data, allowing for a clearer understanding of the implications of the findings.
Additionally, the section may discuss the robustness of the results, including any relevant statistical tests performed to validate the findings. It is crucial that the results are interpreted in the context of the research questions posed earlier in the study, ensuring that the conclusions drawn are grounded in the empirical evidence presented. Overall, this section serves as a critical component of the research, providing the foundation for subsequent discussions and conclusions.
Discussion
The study investigated the agreement and repeatability of inertial measurement unit (IMU)-based 3D ankle kinematics compared to optical motion capture systems (OMCs) across various walking conditions: level ground, inward wedge, and outward wedge. Using multiple analytical methods, including the coefficient of multiple correlation (CMC), statistical parametric mapping (SPM1d), root mean square deviation (RMSD), and intraclass correlation coefficient (ICC), the researchers assessed the performance of a minimal IMU sensor configuration. Results indicated strong correlations in the sagittal (CMC = 0.946) and transverse planes (CMC = 0.822) during level walking, while the frontal plane showed weaker agreement (CMC = 0.273). Notably, significant differences were identified in specific gait cycle intervals, particularly in the sagittal plane during stance and swing phases.
Under inward wedge conditions, the IMUs maintained reasonable agreement in the sagittal plane (CMC = 0.895) but exhibited larger deviations in the frontal plane (12.6°). The outward wedge condition presented the most substantial discrepancies, particularly in the transverse plane (CMC = 0.088), suggesting that the biomechanical complexity of this condition adversely affected IMU accuracy. Despite these challenges, the repeatability of IMU measurements remained high across all walking conditions (ICC > 0.912), indicating potential for practical applications in gait monitoring outside laboratory settings. The findings underscore the need for advanced calibration techniques to enhance the interpretation of multisegmental foot and ankle movements, particularly in complex walking scenarios. Future research should focus on functional calibration methods and longitudinal reliability assessments to further validate IMU applications in clinical populations.