Validation of motion capture system for the analysis of balance perturbations during gait

Markerless motion capture is increasingly used to quantify gait outside the laboratory, offering scalable data collection with minimal equipment. Validation studies generally report good accuracy for walking kinematics, especially in the sagittal plane, but evidence remains limited for more challenging contexts (e.g., uneven terrain or externally induced disturbances). In these situations, out-of-plane motion and mediolateral dynamics become more prominent, and frontal-plane ankle/foot responses may be subtle yet functionally important. This thesis investigated whether discrete underfoot perturbations delivered by custom mechanized shoes can be reliably detected from lower-limb kinematics. It also evaluated whether the associated frontal-plane ankle/foot responses are consistently observable across motion-capture technologies. Twelve healthy adults completed a standardized treadmill protocol including baseline walking and perturbed trials. Inversion-like (INV) and eversion-like (EV) perturbations were triggered during stance using deployable outsole flaps from mechanized shoes. Kinematics were recorded simultaneously using a marker-based system (Vicon), a multi-camera markerless system (Theia3D), and a smartphone-based markerless system (OpenCap). A cross-system workflow was developed to segment gait cycles and classify perturbation-affected strides using trial-level ground truth. Detection performance was quantified using confusion-matrix metrics (sensitivity and precision), and group-level effects were tested using paired SPM1D analyses on mean waveforms. Results showed that Vicon provided robust perturbation discrimination, with high sensitivity and precision, and significant perturbed vs. non-perturbed differences for both EV and INV (p < 0.001), primarily during early stance, consistent with stance-triggered actuation. In contrast, Theia3D and OpenCap exhibited weaker separability of frontal-plane perturbation signatures, yielding modest sensitivity/precision and no significant SPM1D clusters (p > 0.05). These findings highlight a practical “sagittal-plane advantage” and suggest that current markerless systems should be used cautiously when subtle, time-localized frontal-plane ankle mechanics are the primary outcome in reactive balance paradigms.

I sistemi motion capture markerless sono sempre più utilizzati per quantificare il cammino al di fuori del laboratorio, offrendo una raccolta dati scalabile con strumentazione minima. Gli studi di validazione riportano una buona accuratezza per la cinematica del cammino, soprattutto sul piano sagittale, ma le evidenze restano limitate in contesti più complessi, come superfici irregolari o perturbazioni esterne indotte. In queste condizioni, i movimenti fuori piano e la dinamica mediolaterale diventano più rilevanti e le risposte della caviglia sul piano frontale possono essere sottili ma funzionalmente importanti. Questa tesi ha investigato se perturbazioni discrete sotto al piede, indotte da scarpe meccanizzate, possano essere rilevate in modo affidabile a partire dalla cinematica degli arti inferiori e se le risposte della caviglia/piede sul piano frontale siano osservabili in modo consistente attraverso diverse tecnologie di motion capture. Dodici adulti sani hanno eseguito un protocollo standardizzato su treadmill che includeva cammino e prove con perturbazione. Perturbazioni tipo inversione (INV) ed eversione (EV) sono state attivate durante la fase di appoggio tramite flap della suola dispiegabili di scarpe meccanizzate. La cinematica è stata registrata simultaneamente mediante un sistema marker-based (Vicon), un sistema markerless multi-camera (Theia3D) e una pipeline markerless basata su smartphone (OpenCap). È stato sviluppato un algoritmo per segmentare i cicli del passo e classificare i passi perturbati utilizzando un ground truth a livello di trial. La capacità di rilevamento è stata stimata mediante metriche a partire dalla matrice di confusione (sensibilità e precisione) e supportata da un’analisi statistica con SPM1D tramite confronti appaiati sulle forme d’onda medie. I risultati hanno mostrato che Vicon garantisce una discriminazione robusta delle perturbazioni, con elevata sensibilità e precisione e differenze significative tra passi perturbati e non perturbati sia per EV sia per INV (p < 0.001), principalmente durante l’inizio dell’appoggio del piede. Al contrario, Theia3D e OpenCap hanno evidenziato una separabilità più debole delle firme di perturbazione sul piano frontale, con sensibilità/precisione moderate e assenza di cluster significativi in SPM1D (p > 0.05). Questi risultati suggeriscono cautela nell’utilizzo degli attuali sistemi markerless quando l’outcome principale riguarda meccaniche sottili e localizzate nel tempo della caviglia sul piano frontale in paradigmi di equilibrio reattivo.