Design and implementation of a stabilometric analysis pipeline within the SMART Clinic environment

Quantitative assessment of bipedal standing balance is a key topic in clinical biomechanics, as postural stability arises from the integration of visual, vestibular, and somatosensory inputs and is expressed through multi-joint coordination of the lower limbs and modulation of ground reaction forces. Although SMART Clinic, an instrument-based method of motion analysis is widely used as a reference for gait analysis, a dedicated, reproducible workflow for static postural assessment, integrating stabilometry with joint-level kinematics and kinetics, was not available. This thesis addresses the gap by designing and implementing a stabilometric analysisworkflow that can be integrated into SMART Clinic, with automatic report generation as a primary deliverable. Experimental acquisitions were performed at the Human Performance Laboratory (Politecnico di Milano, Lecco campus) using a SMART-DX EVO optoelectronic system and embedded P-6000 digital force plates. Pelvis and lower-limb kinematics were reconstructed through the Davis marker set (22 markers). A preliminary validation was conducted on 11 healthy adults performing 10 repeated trials per subject (5 Eyes Open, 5 Eyes Closed), each lasting 40 s. For each trial, a 30 s central steady interval was selected, excluding initial and final transients. Processing in SMART Clinic was structured into: marker trajectory reconstruction and correction (fully manual labelling and frame-by-frame inspection), time-window selection, and SMART Analyzer computation of sagittal-plane joint angles, joint torques, joint reaction forces (hip, knee, ankle), GRF components, and Centre of Pressure (CoP) trajectories. Dedicated MATLAB functions were then used to compute CoP-derived stabilometric indices (path length, convex hull area, 95% confidence ellipse area) and mean vertical GRF per limb, together with descriptive statistics and an intra-subject paired framework for Eyes Open vs Eyes Closed comparisons (Shapiro–Wilk; paired ttest/Wilcoxon; variability tests). Results show that visual deprivation can be detected sensitively through changes in CoP path length, while area-based metrics tend to provide mainly descriptive increases and highlight marked inter-individual heterogeneity. The main project output is a five-page SMART Clinic report automatically generated from processed static trials, integrating kinematic, kinetic, and stabilometric outcomes in a standardized, clinically readable format. This tool provides an operational basis for future applications in clinical populations and monitoring scenarios.

La valutazione quantitativa del controllo posturale in equilibrio bipodalico in stazione eretta è centrale in biomeccanica clinica, poiché la stabilità deriva dall’integrazione di input visivi, vestibolari e somatosensoriali e si manifesta attraverso la coordinazione multi-articolare degli arti inferiori e la modulazione delle forze di reazione al suolo. Pur essendo SMART Clinic un riferimento consolidato per l’analisi del cammino, risultava mancante un flusso di lavoro dedicato, riproducibile e orientato alla clinica per la postura statica che integrasse in modo coerente stabilometria, cinematica e dinamica articolare. In questa tesi è stata quindi progettata e implementata una procedura di analisi stabilometrica integrabile in SMART Clinic, ponendo come deliverable centrale la generazione automatica di un report specifico per la postura statica. Le acquisizioni sono state condotte presso l’Human Performance Laboratory (Politecnico di Milano, campus di Lecco) utilizzando un sistema optoelettronico SMART-DX EVO e pedane di forza digitali P-6000, con frequenza di campionamento impostata a 100 Hz. La cinematica di bacino e arti inferiori è stata ricostruita tramite marker set secondo protocollo di Davis (22 marker). La validazione preliminare è stata effettuata su 11 soggetti sani, con 10 prove ripetute per soggetto (5 Occhi Aperti, 5 Occhi Chiusi) della durata di 40 s; per l’analisi è stata selezionata una finestra centrale di 30 s, escludendo i transitori iniziali e finali. Il processamento in SMART Clinic è stato strutturato in: ricostruzione e correzione delle traiettorie marker (etichettatura manuale e controllo frame-by-frame), selezione delle finestre temporali e calcolo in SMART Analyzer di angoli, momenti, potenze, forze di reazione articolari (anca, ginocchio, caviglia), componenti della GRF e traiettorie del Centro di Pressione (CoP). Successivamente, funzioni MATLAB hanno calcolato indici stabilometrici da CoP (lunghezza del percorso, area del convex hull, area dell’ellisse di confidenza al 95%) e la vGRF media per arto, oltre a statistiche descrittive e confronti intra-soggetto OE vs CE (Shapiro–Wilk; t-test appaiato/Wilcoxon; analisi della variabilità). I risultati indicano che la privazione visiva è rilevabile in modo sensibile tramite variazioni della lunghezza del percorso del CoP, con effetti non uniformi tra soggetti; le metriche areali mostrano incrementi soprattutto descrittivi e un’evidente eterogeneità inter-individuale. L’output finale include un report in 5 pagine generato automaticamente in SMART Clinic che integra variabili cinematiche, cinetiche e stabilometriche in un formato standardizzabile, a supporto di futuri impieghi su popolazioni cliniche e in contesti di monitoraggio.