Validazione dell'affidabilità e dell'accuratezza di un metodo basato su sensore inerziale per la valutazione di parametri spazio-temporali in task di salto verticale

The validation of inertial measurement systems for the objective characterization of vertical jumps using spatio-temporal parameters is of great importance for the research and development of rehabilitation systems, as well as for the collection of objective data in an ecological environment. The aim of this thesis was to validate the accuracy of spatio-temporal parameters (jump height, flight time, contact time and velocities in the take off and landing phases) during the performance of three types of vertical jumps, starting from the acquisition of acceleration data using an Xsens DOT inertial sensor unit (IMU) (Xsens Technologies - NL). Twenty healthy adult subjects (13 females and 7 males, 24.0 ± 1.0 years, height 1.68 ± 0.07 m, weight 57.0 ± 10.0 kg) participated in this study. Each subject performed countermovement jumps (CMJ) in both bipodalic and monopodalic modes, as well as plyometric jumps. The parameters of interest were measured simultaneously with the IMU and the laboratory systems defined as the gold standard, namely the optoelectronic system and the force platforms. The data obtained with the inertial sensor were processed by two methods, called New_Method and BIA_Method, based on the double integration of the vertical acceleration. In order to compare the two integration methods and the measurements obtained by the sensor with those of the gold standards, the data obtained were subjected to a statistical analysis. The Pearson's coefficient, averaged over all the motor tasks, was higher than 0.84 for the New_Method and 0.78 for the BIA_Method for the jump height (VHJ), 0.92 for the flight time (FT) and 0.98 for the contact time (CT), indicating a strong positive correlation. Differently, the Pearson's coefficient calculated for the velocity parameters showed a lower mean value (0.40). The results of the accuracy analysis showed average values of 86.16 % for the New_Method and of 83.99 % for the BIA_Method with regard to the calculation of VHJ. Regarding the variables FT and CT, both methods showed an accuracy above 93%. The analysis of the Bland-Altman plots confirmed the agreement between the systems compared, although systematic errors of different magnitudes were found depending on the task evaluated and the systems compared. These errors caused the IMU to overestimate or underestimate the calculated variables. Finally, an average RMSE of 2.8 cm was calculated for the New_Method and 3.5 cm for the BIA_Method for the variable VHJ. For FT, the average index value was 22.1 ms for the New_Method and 16.5 ms for the BIA_Method, while for CT the mean value was 11.7 ms, considering both methods. Finally, for the velocity variables, the data showed a similar trend between New_Method and BIA_Method, with an average error of 0.33 m/s. The positive correlation between the IMU measurements and the benchmarks suggests considerable agreement between the different data acquisition methods. In particular, the New_Method showed overall superior accuracy. In conclusion, it is believed that the use of the Xsens DOT IMU sensor is suitable for characterizing the biomechanics of the vertical jumps studied in this work and has the potential to be used in lower extremity rehabilitation and assessment programs, including environmental settings.

La validazione di sistemi di misura inerziale per la caratterizzazione oggettiva dei salti verticali, mediante parametri spazio-temporali, riveste un'importanza significativa nell'ambito della ricerca e dello sviluppo di sistemi di riabilitazione, oltre a consentire la raccolta di dati oggettivi in ambiente ecologico. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di validare l'accuratezza dei parametri spazio-temporali (altezza del salto, tempo di volo, tempo di contatto e velocità nelle fasi di stacco e atterraggio) durante l’esecuzione di tre tipologie di salto verticale partendo dall’acquisizione dei dati di accelerazione tramite un sensore inerziale (IMU) di Xsens DOT (Xsens Technologies - NL). Il presente studio ha coinvolto venti soggetti adulti sani (13 femmine e 7 maschi, età 24.0 ± 1.0 anni, altezza 1.68 ± 0.07 m, peso 57.0 ± 10.0 kg). Ogni soggetto ha eseguito dei salti con contromovimento (CMJ), sia in modalità bipodalica che monopodalica, oltre a salti pliometrici. I parametri di interesse sono stati misurati in contemporanea utilizzando l’IMU e i sistemi di laboratorio definiti come gold standard, ossia il sistema optoelettronico e le piattaforme di forza. I dati ottenuti con il sensore inerziale sono stati elaborati mediante due metodi, denominati New_Method e BIA_Method, basati sulla doppia integrazione dell’accelerazione verticale. Al fine di confrontare i due metodi di integrazione e le misurazioni ottenute dal sensore con quelle dei gold standard, i dati ottenuti sono stati soggetti ad un’analisi statistica. Il coefficiente di Pearson, mediato su tutti i task motori, è risultato essere superiore a 0.84 per il New_Method e 0.78 per il BIA_Method per l’altezza di salto (VHJ), 0.92 per il tempo di volo (FT) e 0.98 per il tempo di contatto (CT), indicando una forte correlazione positiva. Differentemente, il coefficiente di Pearson calcolato per i parametri di velocità ha mostrato un valore medio inferiore (0.40). I risultati derivanti dall’analisi di accuratezza hanno presentato valori medi dell'86.16 % per il New_Method e dell’83.99 % per il BIA_Method per quanto riguarda il calcolo di VHJ. Relativamente alle variabili FT e CT, entrambi i metodi hanno presentato un’accuratezza superiore al 93 %. L'analisi dei diagrammi di Bland-Altman ha confermato la concordanza tra i sistemi confrontati, sebbene sia stata riscontrata la presenza di errori sistematici di diversa entità a seconda del task valutato e dei sistemi posti a confronto. Questi errori hanno portato l’IMU a sovrastimare o sottostimare le variabili calcolate. Infine, è stato calcolato un RMSE medio di 2.8 cm per il New_Method e di 3.5 cm nel BIA_Method per la variabile VHJ. Per il FT, il valore medio dell’indice è stato di 22.1 ms per il New_Method e di 16.5 ms per il BIA_Method; mentre per il CT il valore è stato mediamente di 11.7 ms, considerando entrambi i metodi. Infine, per le variabili di velocità, i dati hanno evidenziato un andamento simile tra New_Method e BIA_Method, con un errore medio di 0.33 m/s. La correlazione positiva tra le misurazioni IMU e i parametri di riferimento suggerisce una notevole concordanza tra le diverse metodologie di acquisizione dei dati. In particolare, il "New_Method" ha dimostrato un’accuratezza complessivamente superiore. In conclusione, si ritiene che l’utilizzo del sensore IMU Xsens DOT sia adatto per caratterizzare la biomeccanica dei salti verticali esaminati in questo lavoro e presenta il potenziale per essere utilizzato all’interno di programmi di riabilitazione e valutazione per l’arto inferiore, anche in ambiente ecologico.