在负载坐之前和之后,基于惯性测量单位的ex vivo膝盖动力学验证参考框架定向优化

科学领域:

• 生物力学 生物力学
• 运动学和动力学.
• 生物医学工程 生物医学工程

背景情况:

• 惯性测量单元 (IMU) 越来越多地被探索为用于关节动力学的光学运动捕获的替代品.
• 以前的研究使用联合模拟器证明了IMU的准确性,但缺乏现实世界的复杂性,如软组织文物和单一运动代.
• 目前的研究通过在更具挑战性的尸体模型中测试基于IMU的算法来解决这些局限性.

研究的目的:

• 为了评估基于IMU的膝关节角度估计的准确性,使用扩展的卡尔曼波器和光滑算法.
• 评估参考框架对齐使用参考框架对齐方法 (REFRAME) 对动力学准确性的影响.
• 为了研究算法的性能,在条件模拟一个单个负载的坐周期在尸体标本的条件下.

主要方法:

• 在一个强力控制的装置上利用了七个尸体膝盖样本来模拟一个负载的坐周期.
• 采用基于光学标记器的系统作为地面真相进行比较.
• 应用参考框架对齐方法 (REFRAME) 来优化局部坐标系统并改善传感器融合.
• 在REFRAME之前和之后的膝关节角度 (屈曲/延伸,拉伸/拉伸,外部/内部旋转) 计算的平方根平均误差 (RMSE).

主要成果:

• 在REFRAME之前,RMSE对引/吸引和外部/内部旋转的RMSE很高 (20.4° ± 10.0°和8.6° ± 5.7°).
• 在REFRAME之后,RMSE显著下降到0.9° ± 0.4°的吸收/吸收和1.5° ± 0.7°的外部/内部旋转.
• 屈曲/延伸RMSE在REFRAME后略有增加至4.2°±3.6°,表明这种特定的运动轴可能存在潜在挑战.

结论:

• 基于IMU的膝盖动力学估计显示了单次负载坐周期的潜力,但性能对运动重复和参考姿势一致性敏感.
• 使用像REFRAME这样的方法来正确对准参考框架对于准确的关节动力学和可靠的结论至关重要.
• 调整算法假设和调整波器参数对于优化基于IMU的运动分析至关重要,特别是在复杂的场景中.