Development of a drift compensation algorithm for long time acquisitions of lower body motion tracking with inertial sensors

Gait analysis plays a fundamental role in rehabilitation, sports performances, and injuries prevention, in a clinical environment to establish a surgical plan and to evaluate developmental disabilities. A motion capture technique is required to extract the information of the kinematics of the body under examination. The gold standard is the optoelectronic system, but its use is very limited, and it is expensive. IMUs technologies are a new frontier in this context, as they are wearable and easy to use. Their main drawback is that they suffer from the drift, an error that accumulates in time, making their output less reliable, especially for long acquisitions. The aim of this work is to develop an algorithm to compensate for the drift to evaluate the kinematics of the lower body in long time acquisitions. The experiments were held on a treadmill at 3km/h and at 6 km/h for 10 minutes. The walking condition achieved greater results compared to the running one, with a RMSE of the flexion extension of the ankle, knee, and hip lower than 3 degrees. The other two angles presented a higher RMSE, enhanced by the fact that their range of motion is lower. The results showed a promising method that corrects the drift which IMUs are subjected to.

L'analisi del cammino ha un ruolo fondamentale nella riabilitazione, in applicazioni sportive per la prevenzione di infortuni e per migliorare le performance, in un ambiente clinico serve per stabilire un eventuale piano chirurgico e per valutare disabilità dello sviluppo. Per estrarre le informazioni necessarie per lo studio della cinematica di un soggetto è necessario l’utilizzo di una tecnica di cattura del movimento. Il gold standard è il sistema optoelettronico, ma il suo utilizzo è fortemente limitato e costoso. In questo contesto, i sensori inerziali sono la nuova frontiera nell’analisi del movimento, data la loro “indossabilità” e semplicità di utilizzo. Il loro principale difetto è che soffrono del cosiddetto drift, un errore che si accumula nel tempo rendendo queste tecnologie meno affidabili, specialmente per acquisizioni di lunga durata. L’obiettivo di questo studio è di implementare un algoritmo per compensare il drift al fine di valutare la cinematica degli arti inferiori in acquisizioni di lunga durata. Infatti, gli esperimenti sono stati svolti su un tapis roulant a 3 km/h e a 6 km/h per dieci minuti ciascuno. L’acquisizione del cammino (3km/h)ha mostrato un risultato migliore rispetto alla condizione della corsa, con un RMSE della flesso-estensione della caviglia, del ginocchio e dell’anca inferiore ai 3 gradi. Gli altri due angoli presentano un valore più elevato di RMSE, evidenziato dal fatto che il range of motion in questi piani è maggiore. In generale, i risultati dimostrano che l’algoritmo è un metodo valido per la correzione del drift dei sensori inerziali.