Quantifying upper limb kinematics using an IMU sensor

Abstract

Upper limb impairments are a common consequence of stroke, often making daily activities difficult. Rehabilitation methods aim to restore motor function, but current assessment methods can be costly, impractical outside labs and depend on examiner skill. Additionally, there is no standardized exercise used for the upper limb assessment comparable to the gait analysis for the lower limb.This study explored the potential of using an Inertial Measurement Unit (IMU) sensor to quantify upper limb kinematics and neuromuscular control. The primary aims were to validate the IMU sensor data against data obtained from the gold standard motion capture (MoCap) system and to compare the upper limb kinematics between a healthy cohort and a patient cohort.To test the validity of the IMU sensor, measurements were taken simultaneously for both the IMU sensor and the MoCap system. The flexion/extension, abduction/adduction and internal/external rotation components of the movements were compared. The root mean square error (RMSE) values for each movement type were within the acceptable margin of <10°, with the highest accuracy observed for the flexion/extension movements and the lowest for the internal/external rotation movements. These results confirmed the validity of using an IMU sensor to measure upper limb kinematics.For the group comparisons, data were collected from a control group and a stroke group during range of motion (RoM) tasks and a conducting test. This comparison revealed that the stroke group exhibited reduced RoM, smoothness, accuracy and coordination compared to the control group. This was reflected by factors such as lower joint excursion, irregular acceleration profiles, higher RMSE values, greater deviation from target and reduced smoothness measures.Overall, the study shows that an IMU sensor combined with a custom built kinematic software has great potential in providing a reliable and accessible method for capturing upper limb kinematics.

Hreyfihamlanir í efri útlim eru algengar afleiðingar heilablóðfalls sem geta gert daglegar athafnir erfiðar. Enduhæfingaraðferðir miða að því að endurheimta hreyfifærni, en núverandi matsaðferðir geta verið dýrar, óhentugar og háðar þekkingu þess sem framkvæmir matið. Þar að auki er engin stöðluð æfing til fyrir mat á hreyfifræði efri útlima sambærileg göngugreiningu fyrir neðri útlimi.Þessi rannsókn skoðar möguleikann á því að nota tregðunema (IMU) til að magngreina bæði hreyfifræði og taugavöðva stjórn í efri útlim. Helstu markmið rannsóknarinnar voru að sannreyna gögn fengin úr IMU nemanum samanborin við gögn fengin frá gullstaðli hreyfigreiningar, hreyfiföngun (MoCap) og hins vegar að bera saman hreyfifræði efri útlims á milli hóp heilbrigðra og hóp sjúklinga.Til að prófa áreiðanleika IMU nemans voru mælingar teknar samtímis bæði með IMU nemanum og MoCap kerfinu. Beygju/réttu, aðfærslu/fráfærslu og innsnúnings/útsnúnings þættir axlahreyfingarinnar voru bornir saman. Meðaltals rótar skekkjan (RMSE) fyrir hverja hreyfingu var innan viðunandi marka <10°, hæsta nákvæmnin fannst fyrir beygju/réttu hreyfingar og minnsta fyrir innsnúnings/útsnúnings hreyfingar. Þessar niðurstöður staðfestu áreiðanleika þess að nota IMU nema til að mæla hreyfifræði efri útlims.Til þess að bera saman hópana var gögnum safnað fyrir viðmiðunarhóp og heilablóðfallshóp á meðan þau framkvæmdu hreyfisviðspróf (RoM) og stjórnenda takts próf (conducting test). Þessi samanburður leiddi í ljós að heilablóðfallshópurinn var með skert hreyfisvið, minni mýkt, nákvæmni og samhæfingu samanborið við viðmiðunarhópinn. Þetta endurspeglaðist í þáttum eins og minni hreyfimörkum í liðum, óreglulegum hröðunarferlum, hærri RMSE gildum, auknu fráviki frá marki og minni mýkt.Í heild sýnir rannsóknin að notkun á IMU nema ásamt sérsniðnu hreyfifræði forriti hefur mikla möguleika á að vera áreiðanleg og aðgengileg aðferð til að mæla hreyfifræði efri útlima.