Definition and implementation of an experimental set-up based on inertial sensors for the assessment of upper limbs movement in normal-weight and obese individuals

An inertial measurement unit is a wearable sensor that allows kinematics assessment by fusing the information of multiple sensors. It could represent a low-cost alternative to the gold standard technology for motion analysis, the optoelectronic stereophotogrammetric systems, especially for assessment outside the laboratory. Obese patients are affected by several limitations in performing daily living activities and motion analysis allows quantification of these limitations in order to select the proper rehabilitation and physical treatment. This thesis aims to develop and validate an experimental set-up based on inertial sensors for the assessment of upper limb kinematics in normal-weight and obese subjects, and to evaluate upper limb functional limitation in obese patients. The set-up was developed and tested on normal-weight subjects at the "Luigi Divieti" motion analysis laboratory of Politecnico di Milano. Then, it was also applied to obese patients at the laboratory of movement analysis of Ospedale San Giuseppe, Istituto Auxologico Italiano. The experimental protocol consisted of the performance of three upper limb movements (frontal and lateral raise, reaching an object), measured simultaneously by an optoelectronic stereophotogrammetric system and inertial sensors. A custom marker set and sensors placement was developed. The acquired signals were processed with a dedicated Matlab routine to obtain the joints' angles and to compute the ranges of motion. The comparison between optoelectronic and imu-measured shoulder and elbow ranges of motion demonstrated a moderate to strong correlation for the principal angles of each task in normal-weight subjects and a moderate correlation for the same angles in obese patients. Bland-Altman plots had biases and wide limits of agreement for both groups. The waveform analysis demonstrated significant differences near the peaks of the majority of the signals. Functional limitations were found in obese patients who showed a lower shoulder range of motion than normal-weight subjects.

Un sistema inerziale è un sensore indossabile che permette misurazioni cinematiche sfruttando le informazioni di più sensori. Può essere un'alternativa low-cost alla tecnologia gold standard per l'analisi del movimento, il sistema optoelettronico stereofotogrammetrico, soprattutto per valutazioni al di fuori del laboratorio. I pazienti obesi presentano diverse limitazioni nell'effettuare attività nella vita di tutti i giorni e l'analisi del movimento permette di quantificare queste limitazioni per poter selezionare il trattamento riabilitativo e fisico più appropriato. L'obiettivo di questa tesi è di sviluppare e validare un set-up sperimentale basato sull'utilizzo di sensori inerziali per analizzare la cinematica dell'arto superiore in pazienti normopeso e obesi, e per valutare la limitazione funzionale dell'arto superiore nei pazienti obesi. Il set-up è stato sviluppato e testato sui soggetti normopeso nel laboratorio di analisi del movimento "Luigi Divieti" del Politecnico di Milano. In seguito, il set-up è stato utilizzato anche su pazienti obesi al laboratorio di analisi del movimento dell'Ospedale San Giuseppe, presso l'Istituto Auxologico Italiano. Il protocollo sperimentale consiste nell'effettuare tre movimenti dell'arto superiore (alzate frontali e laterali, raggiungimento di un oggetto) che vengono misurati simultaneamente mediante un sistema optoelettronico stereofotogrammetrico e dei sensori inerziali. Per il posizionamento dei marker e dei sensori è stato sviluppato un protocollo apposito. I segnali acquisiti sono stati elaborati con un apposito codice su Matlab per ricavare gli angoli articolari e calcolare i range of motion. Il contronto tra sistema optoelettronico e sistema inerziale considerando spalla e gomito ha dimostrato una correlazione moderata o forte sugli angoli principali di ogni task nei soggetti normopeso, mentre una correlazione moderata sugli stessi angoli nei soggetti obesi. I grafici di Bland-Altman hanno mostrato la presenza di bias e ampi limits of agreement. L'analisi della forma d'onda ha dimostrato differenze statisticamente significative in prossimità dei picchi della maggior parte dei segnali. I pazienti obesi hanno presentato dei range of motion della spalla inferiori a quelli dei soggetti normopeso in tutti i task, dimostrando una limitazione funzionale.