Assessing Static Balance Using a Head-Mounted Inertial Sensor. Reliability and Validity study

Abstract

Background: In clinical settings, balance assessment is commonly based on subjective methods like visual assessments, which do not use measurement-based evaluations. Quantitative assessment using wearable inertial measurement unit (IMU) sensors are increasingly being used for accurate balance measurement, offering a portable and affordable option. This can lead to an early diagnosis, personalized rehabilitation, and progress tracking during therapy. Objective: To determine the reliability of assessment metrics derived from a head IMU sensor of standing balance. A secondary objective was to analyze the discriminant validity of the sensor-based metrics. Methods: Sixty-two subjects representing three groups, participated in the study: (A) Healthy young adults (20-30 years, n=20), (B) healthy old adults (67 years or older, n=21), and (C) old adults with postural instability (n=21). Static balance was assessed using a wireless IMU sensor placed at the top of the head. Measurements were based on four standing positions of the 4 Stage Balance Test (4-SBT): Feet together (FT), Semi-tandem (ST), Tandem (T), and Single leg stance (SL). Each position was tested three times for 30 seconds. To assess test-retest reliability the measurement session was repeated for Group A. Root Mean Square (RMS) acceleration was used as a measure of sway. Results: The test-retest reliability analysis indicated there was no statistically significant difference between the two separate measurement sessions, except for the T condition in anterior-posterior (AP) movement direction (p=0.006) and resultant (R) direction (p=0.018). The T condition demonstrated the highest intraclass correlation coefficient (ICC) proportion in the AP and R directions (ICC = 0.59; ICC = 0.57) followed by the SL condition in the R direction (0.48). In the group comparison, the results indicate there were significant differences in the mean values of the acceleration in all three directions, i.e., AP (p< 0.01), medial-lateral (ML) (p< 0.01), and R (p< 0.01), among the three groups. Conclusion: The study suggests that head- mounted IMUs have the potential for assessing static balance and can effectively differentiate between different states of balance performance. Nonetheless, the reliability analysis yielded inconsistent results, leading to uncertain reliability, necessitating further investigation.

Bakgrunnur: Í klíník er mat á jafnvægi almennt byggt á huglægum aðferðum eins og sjónrænu mati, þar sem ekki er notast við hlutlægar mælingar. Hlutlægt mat á jafnvægi með notkun tregðuskynjara hefur í auknum mæli verið notað fyrir nákvæmar jafnvægismælingar og býður upp á færanlegan og hagkvæman kost. Þetta getur leitt til snemmtækrar greiningar, persónulegrar endurhæfingar og metið framgang meðferðar. Markmið: Að ákvarða áreiðanleika endurtekinna mælinga sem fengnar eru úr mælingum á stöðujafnvægi með notkun tregðuskynjara á hvirfli höfuðs. Annað markmið var að framkvæma aðgreiningaréttmæti slíkra mælinga. Aðferðir: Sextíu og tveir einstaklingar tóku þátt í rannsókninni, í þremur hópum: Heilbrigðir ungir fullorðnir (A) (20-30 ára, n=20), heilbrigðir eldri fullorðnir (B) (67 ára og eldri, n=21) og eldri einstaklingar með jafnvægisskerðingu (C) (n=21). Jafnvægi var metið með þráðlausum tregðuskynjara staðsettum á hvirfli höfðus. Mælingar voru gerðar í fjórum mismunandi gangstöðum byggðar á grundvelli fjögurra þrepa jafnvægisprófsins (4-SBT): Fætur saman (FT), gangstandandi með annan fót fyrir framan hinn þ.e. að stóra tá aftari fótar snerti iljaboga fremri fótar (e. Semi-tandem) (ST), gangstandandi með annan fót fyrir framan hinn þ.e. stóra tá aftari fótar snerti hæl fremri fótar (e. Tandem) (T) og standa á öðrum fæti (SL). Hver staða var prófuð þrisvar sinnum í 30 sekúndur. Til að meta áreiðanleika endurtekinna mælinga var mælilotan endurtekin fyrir hóp A. Kvarðatrót meðaltals hröðunar (RMS) var notuð sem mælikvarði stöðuvaggs. Niðurstöður: Áreiðanleikagreining endurtekinna mælinga gaf til kynna að enginn marktækur munur væri á milli tveggja aðskildra mælinga, nema fyrir T stöðuna í fram-aftur hreyfiátt (AP) (p=0,006) og heildar hreyfiáttir (R) (p=0,018). T staðan sýndi hæsta innanflokks fylgnistuðulshlutfallið (ICC) í AP og R áttum (ICC = 0,59; ICC = 0,57) og þar á eftir SL staðan í R átt (ICC = 0,48). Í samanburði milli hópa gáfu niðurstöður til kynna að marktækur munur hafi verið á meðalgildum RMS hröðunar í allar þrjár hreyfiáttir, þ.e AP (p<0,01), ML (p=0,01) og R (p<0,01), meðal hópanna þriggja. Ályktun: Rannsóknin gaf til kynna að tregðuskynjari staðsettur á hvirfli höfuðs hafi möguleika á að meta stöðujafnvægi og greina á milli mismunandi jafnvægisástands. Hins vegar, voru niðurstöður áreiðanleika greiningar ósamræmanlegar, sem leiddu til óvissu um áreiðanleika og krefjast frekari rannsókna.