Validation, methodological advancements, and field applications of wearable inertial sensors for human motion analysis

Human motion analysis is the study of human movement, providing essential insights for biomechanics, medicine, rehabilitation, and sports performance. It helps diagnose movement disorders, evaluate treatments, and optimize athletic training and injury prevention. Traditional motion analysis relies on optical motion capture systems and force platforms, which are highly accurate but limited to laboratory environments due to their lack of portability, high costs and complexity. The advent of inertial measurement units (IMUs) --compact devices integrating accelerometers, gyroscopes, and sometimes magnetometers -- has transformed human motion analysis by enabling ecological on-field assessments with portable and low-cost solutions. Despite this, while IMUs promise accessibility and practicality, their validity and reliability relative to laboratory systems must be established. For this reason, the present thesis examines whether IMU-derived measures can be both valid against gold standard systems, and useful for real-world monitoring. Accordingly, this work collectively addresses the progression from single-sensor task-level outcomes to multi-sensor joint-level kinematics. First, a field study in youth soccer (128 male players, from 12 to 19 years old) implemented a standardised single-IMU test battery (stability, countermovement and consecutive jumps, agility, quick-feet) at pre- and post-season. Percentage changes were interpreted against smallest worthwhile change thresholds. Practically meaningful in-season improvements were detected across multiple domains (e.g., ≈18% faster quick-feet, ≈10--14% gains in jump power, and ≈10% improvement in stability), and principal-component analysis consistently revealed four latent factors -- strength-power, balance, speed-agility, stiffness -- explaining >80% of variance. This established that the portable, low-cost setup can be used for the practical monitoring of youth performance and training adaptation. The thesis then focused on the methodological validation by addressing the accuracy of IMU-based countermovement-jump (CMJ) height. Data from 18 adults were simultaneously collected from an optoelectronic motion capture system, dual force platforms, and a single IMU-sensor at a low sampling rate (i.e. 60 Hz). The study showed that the numerical double-integration pipeline outperformed flight-time and take-off-velocity methods, maintaining strong agreement with small biases and good–excellent test–retest reliability between systems. The alternative methods degraded notably, especially in single-leg CMJ. Subsequently, the methodological validation focused on how two different IMU placements affect CMJ height estimates. In particular, data collected from 19 healthy adults for double-leg CMJs, showed that sacrum versus flank mounting yields indistinguishable height estimates. On the other hand, it was shown that single-leg jumps are placement-sensitive: mounting the IMU sensor on the jumping-side flank reduced bias versus reference. From these methodological analyses focused on CMJ, it was shown that jump-height estimations from IMU are accurate with respect to reference systems, with limited placement sensitivity for bilateral jumps. Nevertheless, under asymmetrical conditions, a placement effect has been highlighted, providing practitioners with practical guidelines for IMU-sensor positioning. In conclusion, these works collectively established robust methodological guidelines for field-applicable IMU-based performance monitoring. After assessing the CMJ, the IMU-sensor validity in jump analysis was tested in different stretch–shortening tasks. In drop and squat jumps (33 adults; concurrent IMU, force platform, and motion capture), IMU-derived jump height showed excellent concordance with force platform (CCC ≈0.978) and good–excellent reliability (single-trial ICC ≥0.91; five-trials ICC ≥0.98). Contact time estimates in drop jumps were usable but systematically biased (force-plate longer by ≈22 ms), cautioning against cross-device interchangeability and highlighting the value of task-specific calibration and multi-trial averaging. Finally, the present thesis extended from single-IMU task outcomes to multi-segment kinematics by assessing and validating a commercial multi-IMU system against motion capture. Range-of-motion from lower-limb, trunk, and upper-limb tasks were estimated from movement data of 15 adults, showing strong correlations (r≥ 0.77), RMSE generally <7°, percentage similarity >97%, trivial biases (≤ 3.9°), and limits of agreement within clinically acceptable bounds. This study showed that the multi-IMU system provided reliable, clinically comparable range-of-motion estimates, supporting clinical and remote-rehabilitation use, offering portability benefits and lower cost. In conclusion, the present thesis established and validated methods for IMUs adoption in human motion analysis with laboratory-level accuracy in real-world conditions. The work progressed from on-field performance monitoring in youth soccer, through single-IMU validation for countermovement, drop, and squat jumps, to multi-IMU validation for joint-level kinematics -- connecting practical needs with scientific rigour. In particular, it has been shown that IMUs can deliver field-ready and trustworthy measurements, especially when considering within-device trends with multi-trial averaging, opposed to cross-device comparisons. The results map a practical pathway from on-field demands to laboratory-grade confidence and further support the responsible adoption of IMU-systems in sport performance and rehabilitation.

L’analisi del movimento umano è lo studio del movimento del corpo umano, fornendo informazioni essenziali per la biomeccanica, la medicina, la riabilitazione e la performance sportiva. Essa aiuta a diagnosticare disturbi del movimento, valutare trattamenti e ottimizzare l’allenamento atletico e la prevenzione degli infortuni. L’analisi del movimento tradizionale si basa su sistemi di motion capture ottici e piattaforme di forza, che sono altamente accurati ma limitati agli ambienti di laboratorio a causa della loro scarsa portabilità, degli alti costi e della complessità. L’avvento delle unità di misura inerziali (IMU) -- dispositivi compatti che integrano accelerometri, giroscopi e talvolta magnetometri -- ha trasformato l’analisi del movimento umano permettendo valutazioni ecologiche sul campo con soluzioni portatili e a basso costo. Nonostante ciò, sebbene le IMU promettano accessibilità e praticità, la loro validità e affidabilità rispetto ai sistemi di laboratorio devono essere dimostrate. Per questo motivo, la presente tesi esamina se le misure derivate da IMU possano essere sia valide rispetto ai sistemi gold standard sia utili per il monitoraggio in contesti reali. Di conseguenza, questo lavoro affronta nel complesso la progressione dai risultati a livello di compito con singolo sensore fino alla cinematica a livello articolare con sistemi multi-sensore. In primo luogo, uno studio sul campo nel calcio giovanile (128 giocatori maschi, dai 12 ai 19 anni) ha implementato una batteria di test standardizzata con singola IMU (stabilità, salti countermovement e consecutivi, agilità, quick-feet) in pre- e post-stagione. Le variazioni percentuali sono state interpretate rispetto alle soglie di smallest worthwhile change. Miglioramenti pratici significativi durante la stagione sono stati rilevati in diversi domini (ad esempio, ≈18% di aumento nella velocità dei quick-feet, ≈10–14% di miglioramento nella potenza di salto e ≈10% di miglioramento nella stabilità), e l’analisi delle componenti principali ha costantemente rivelato quattro fattori latenti -- forza-potenza, equilibrio, velocità-agilità, stiffness -- che spiegano oltre l’80% della varianza. Questo ha dimostrato che il sistema portatile e a basso costo può essere utilizzato per il monitoraggio pratico della performance giovanile e dell’adattamento all’allenamento. La tesi si è quindi concentrata sulla validazione metodologica affrontando l’accuratezza della stima dell’altezza del countermovement jump (CMJ) basata su IMU. I dati di 18 adulti sono stati raccolti simultaneamente tramite un sistema di motion capture optoelettronico, doppie piattaforme di forza e una singola IMU a bassa frequenza di campionamento (i.e. 60 Hz). Lo studio ha mostrato che la pipeline di doppia integrazione numerica supera i metodi basati su tempo di volo e velocità di stacco, mantenendo un’elevata concordanza con bias ridotti e una affidabilità test–retest da buona a eccellente tra i sistemi. I metodi alternativi hanno mostrato un degrado significativo, soprattutto nel CMJ monopodalico. Successivamente, la validazione metodologica si è focalizzata su come due diverse posizioni della IMU influenzino la stima dell’altezza del CMJ. In particolare, i dati raccolti da 19 adulti sani per CMJ bipodalici hanno mostrato che il posizionamento sul sacro rispetto al fianco produce stime di altezza indistinguibili. Al contrario, è stato dimostrato che i salti monopodalici sono sensibili al posizionamento: il montaggio della IMU sul fianco del lato di salto riduce il bias rispetto al riferimento. Da queste analisi metodologiche focalizzate sul CMJ, è stato dimostrato che le stime dell’altezza di salto da IMU sono accurate rispetto ai sistemi di riferimento, con una limitata sensibilità al posizionamento per i salti bilaterali. Tuttavia, in condizioni asimmetriche, è stato evidenziato un effetto del posizionamento, fornendo ai professionisti linee guida pratiche per il posizionamento del sensore IMU. In conclusione, questi lavori hanno complessivamente stabilito linee guida metodologiche robuste per il monitoraggio della performance basato su IMU applicabile sul campo. Dopo aver valutato il CMJ, la validità del sensore IMU nell’analisi dei salti è stata testata in diversi compiti di stretch–shortening. Nei drop jump e squat jump (33 adulti; acquisizione simultanea con IMU, piattaforma di forza e motion capture), l’altezza di salto derivata da IMU ha mostrato un’eccellente concordanza con la piattaforma di forza (CCC ≈0.978) e un’affidabilità da buona a eccellente (ICC su singolo trial ≥0.91; ICC su cinque trial ≥0.98). Le stime del tempo di contatto nei drop jump erano utilizzabili ma sistematicamente biasate (piattaforma di forza più lunga di ≈22 ms), suggerendo cautela nell’intercambiabilità tra dispositivi e sottolineando il valore della calibrazione specifica per compito e della media su più trial. Infine, la presente tesi si è estesa dai risultati a livello di compito con singola IMU alla cinematica multi-segmento valutando e validando un sistema commerciale multi-IMU rispetto al motion capture. I range of motion di arti inferiori, tronco e arti superiori sono stati stimati a partire dai dati di movimento di 15 adulti, mostrando forti correlazioni (r≥0.77), RMSE generalmente <7°, similarità percentuale >97%, bias trascurabili (≤3.9°) e limiti di accordo entro intervalli clinicamente accettabili. Questo studio ha mostrato che il sistema multi-IMU fornisce stime del range of motion affidabili e clinicamente comparabili, supportando applicazioni cliniche e di riabilitazione a distanza, offrendo vantaggi in termini di portabilità e costi ridotti. In conclusione, la presente tesi ha stabilito e validato metodi per l’adozione delle IMU nell’analisi del movimento umano con un’accuratezza a livello di laboratorio in condizioni reali. Il lavoro è progredito dal monitoraggio della performance sul campo nel calcio giovanile, attraverso la validazione con singola IMU per countermovement, drop e squat jump, fino alla validazione multi-IMU per la cinematica articolare -- collegando esigenze pratiche e rigore scientifico. In particolare, è stato dimostrato che le IMU possono fornire misure affidabili e pronte per l’utilizzo sul campo, soprattutto considerando trend intra-dispositivo con media su più trial, piuttosto che confronti tra dispositivi diversi. I risultati delineano un percorso pratico dalle esigenze sul campo alla confidenza di livello laboratoriale e supportano ulteriormente l’adozione responsabile dei sistemi IMU nella performance sportiva e nella riabilitazione.