A novel approach for aquatic gait analysis using wearable inertial and hydrodynamic pressure sensors

The lack of adequate technologies and protocols specifically developed and tailored for aquatic motion analysis hinders its evaluation and understanding. Therefore, knowledge of the impact of aquatic physical therapy on quality of life and motor skills remains limited. This Ph.D. thesis aims to address these deficiencies by developing, testing, and validating a method based on new wearable inertial and hydrodynamic pressure sensors for aquatic gait analysis. Four research objectives (RO) are defined and supported by peer-reviewed publications that provide valuable insight into aquatic motion analysis. A systematic review of the literature (RO1) defined the state-of-the-art of aquatic motion analysis, with a focus on wearable technologies. The objective was to identify research gaps and deficiencies in methodologies and protocols. Only 23 of the 572 eligible papers used wearable technologies for aquatic motion analysis. The review also highlighted the absence of versatile and reproducible monitoring methods, limited whole-body or longitudinal research with wearables, and the overreliance on land-based measurements and assessment parameters. RO2 validated a wearable inertial measurement unit sensor system and processing method for gait analysis on land and in water. A proof-of-concept study compared the novel system with two gold standard methods, measuring knee angle during gait both in and outside water, showing reliability and portability (r>0.8 in all land tests, 93% in aquatic tests). An improved version of the technology, which integrates inertial and pressure sensors, was tested against an optoelectronic system in a motion laboratory, evaluating temporal gait and knee joint parameters, demonstrating good accuracy and reliability (RMSE for stride time ∼3% of the gait cycle). The sensors were further used in clinical trials to analyse differences in walking gait in and out of water (RO3). A novel pilot study was also conducted on backward aquatic walking with wearable sensors. The tests revealed a greater variability of the classical gait parameters in water (coefficient of variation 31.02% on land, 60.57% in water). Results of RO3 suggested that relying on parameters defined for overground walking may not provide an accurate description of aquatic motion. RO4 analysed the lateral hydrodynamic pressure on the lower extremities during aquatic gait, with the aim of exploring whether such parameter would ive a better understanding of aquatic motion. It was observed a variation of hydrodynamic pressure at the foot (39.65%) comparable to the one measured for the knee angle on land (31.20%). These results suggest that hydrodynamic pressure might be a reliable metric to describe aquatic walking, enhancing our understanding of aquatic motion by characterizing the interaction between the submerged body and the fluid. This dissertation aims to address the limited availability of wearable monitoring methods for aquatic motion analysis, as well as the predominant reliance on land-based parameters. By introducing new insights and methodologies, it contributes to the advancement of our knowledge on aquatic motion. The thesis proposes hydrodynamic pressure on the lower extremities as a novel way to describe aquatic locomotion. The developed wearable inertial technology, along with the use of hydrodynamic pressure, demonstrated to be a versatile and reproducible method for aquatic gait analysis. This work provides a more nuanced understanding of how the presence of water influences movements, potentially influencing the development of aquatic rehabilitation protocols in future studies.

La mancanza di tecnologie e protocolli adeguati e specificamente sviluppati per l'analisi del movimento in acqua ne ostacolano la valutazione e la comprensione. L’analisi e conoscenza degli effetti dell’idroterapia sulla qualità della vita e sulle capacità motorie degli individui che vengono sottoposti a tale terapia rimane, pertanto, ancora piuttosto limitata. Questa tesi di dottorato ha come finalità quella di colmare alcune di queste lacune sviluppando, testando e validando un nuovo metodo di analisi basato su sensori indossabili, inerziali e di pressione, specificatamente sviluppati per l'analisi del cammino in acqua. Sono stati quindi definiti quattro obiettivi di ricerca (RO), supportati da pubblicazioni scientifiche, che forniscono preziose indicazioni sull'analisi del movimento acquatico. Una revisione sistematica della letteratura (RO1) ha definito lo stato dell'arte dell'analisi del movimento in acqua, con particolare attenzione alle tecnologie indossabili. L'obiettivo di identificare le lacune della ricerca e le carenze nelle metodologie e nei protocolli ha fatto emergere che solo 23 dei 572 articoli sull’argomento erano basati su tecnologie indossabili per l'analisi del movimento in acqua. La revisione ha inoltre evidenziato l'assenza di metodi di monitoraggio versatili e riproducibili, protocolli di ricerca estesi a su tutto il corpo o longitudinali monitorati con sensoristica indossabile, nonché un'eccessiva dipendenza da misure e parametri di valutazione a terra, ovvero al di fuori dell’elemento acqua. RO2 ha validato un sistema di sensori indossabili con unità di misura inerziale e un metodo di elaborazione per l'analisi del cammino a terra e in acqua. Uno studio proof-of-concept ha confrontato il nuovo sistema con due metodi di riferimento (gold standard), misurando l'angolo del ginocchio durante il cammino sia in acqua che fuori, dimostrandone affidabilità e portabilità (r>0,8 in tutti i test terrestri, 93% in quelli acquatici). Una successiva versione migliorata della tecnologia, che integra sensori inerziali e di pressione, è stata poi testata rispetto a un sistema optoelettronico in un laboratorio di movimento, valutando parametri temporali e dell'articolazione del ginocchio durante il ciclo del passo, dimostrando una buona accuratezza e affidabilità del metodo (RMSE per il tempo della falcata ∼3% del ciclo del passo). I sensori sono stati quindi utilizzati in studi clinici per analizzare le differenze nell'andatura in acqua e fuori dall'acqua (RO3). È stato inoltre condotto un nuovo studio pilota sulla camminata all'indietro in acqua con sensori indossabili. I test hanno rivelato una maggiore variabilità dei parametri classici del cammino in acqua (coefficiente di variazione 31,02% a terra, 60,57% in acqua). I risultati del RO3 hanno suggerito che affidarsi ai parametri definiti per la camminata su terraferma comporta una descrizione poco attendibile del movimento acquatico. Il RO4 ha infine analizzato la pressione idrodinamica laterale sulle estremità inferiori durante il cammino in acqua, con lo specifico obiettivo di verificare se tale parametro potesse fornire una migliore comprensione del movimento acquatico. La sperimentazione ha evidenziato una variabilità della pressione idrodinamica sul piede (39,65%) paragonabile a quella misurata per l'angolo del ginocchio a terra (31,20%) suggerendo che la pressione idrodinamica potrebbe essere una metrica affidabile per descrivere la camminata acquatica e migliorare la comprensione del movimento acquatico attraverso la caratterizzazione dell'interazione tra il corpo sommerso e il fluido. Questo studio ha dimostrato la limitata disponibilità di metodi di monitoraggio indossabili per l'analisi del movimento acquatico e la loro prevalente dipendenza da parametri terrestri. Introducendo nuove intuizioni e metodologie la tesi ha contribuito all'avanzamento delle nostre conoscenze sul movimento acquatico. In particolare è stato dimostrato che l’analisi della pressione idrodinamica sulle estremità inferiori fornisce un nuovo e valido strumento per descrivere la locomozione acquatica. Lo sviluppo della tecnologia inerziale indossabile, unitamente all'uso della pressione idrodinamica, ha dimostrato di essere un metodo versatile e riproducibile per l'analisi dell'andatura acquatica. Questo lavoro fornisce una comprensione più dettagliata di come la presenza dell'acqua influenzi i movimenti, fornendo utili elementi per lo studio e lo sviluppo di nuovi protocolli di riabilitazione acquatica.