Impacto de la colocación de sensores Inerciales en el análisis cinemático del movimiento de las extremidades inferiores

Abstract

Los sensores inerciales (IMUs) se han convertido en una valiosa herramienta para el análisis de la marcha debido a su portabilidad y rentabilidad. Sin embargo, la influencia de la colocación de los sensores en la precisión y fiabilidad de los datos cinemáticos sigue sin explorarse lo suficiente. Este estudio investiga cómo la colocación de los IMUs afecta a los resultados de los ángulos articulares, especialmente en la cadera y la rodilla, durante las tareas relacionadas con la marcha. Dieciocho voluntarios sanos realizaron tareas motoras estáticas y dinámicas con IMU situadas en puntos proximales y distales de la pelvis, el muslo y la pierna. Los experimentos se repitieron en un modelo de esqueleto anatómico para aislar los efectos de los artefactos de los tejidos blandos y el desplazamiento del sensor inducido por los músculos. Se aplicaron análisis estadísticos, incluidos coeficientes de correlación, regresión y métricas de error, para comparar señales de sensores emparejados. Los resultados muestran que la cinemática de la cadera, especialmente en los planos de flexión-extensión y rotación interna-externa, es muy sensible a la colocación del sensor, con mayores discrepancias durante las tareas dinámicas (diferencias medias en el ROM: ΔROMx = 5,9º ± 1,1º; ΔROMy = 1,1º ± 0,8º; ΔROMz = 5,6º ± 2,0º). En cambio, los resultados de la articulación de la rodilla mostraron una mayor concordancia entre sensores, con pequeñas incoherencias en el plano frontal (diferencias medias en el ROM: ΔROMx = 0,9º ± 0,3º; ΔROMy = 0,5º ± 1,1º; ΔROMz = 0,1º ± 0,5º). Los experimentos basados en el esqueleto confirmaron que la actividad muscular afecta significativamente a la integridad de la señal. Estos resultados subrayan la necesidad de estandarizar los protocolos de colocación de los sensores y sugieren la colocación de los sensores distalmente, lejos de las regiones de alta actividad muscular, para mejorar la fiabilidad de la medición en el análisis de la marcha mediante IMUs.

Wearable inertial sensors have become a valuable tool for gait analysis due to their portability and cost-effectiveness. However, the influence of sensor placement on the accuracy and reliability of kinematic data remains underexplored. This study investigates how inertial measurement unit (IMU) placement affects joint angle outputs, particularly at the hip and knee, during gait-related tasks. Eighteen healthy volunteers performed static and dynamic motor tasks with IMUs placed at proximal and distal locations on the pelvis, thigh, and shank. The experiments were replicated on an anatomical skeleton model to isolate the effects of soft tissue artifacts and muscle-induced sensor displacement. Statistical analysis, including correlation coefficients, regression, and error metrics, was applied to compare paired sensor signals. Results show that hip kinematics, especially in the flexion–extension and internal–external rotation planes, are highly sensitive to sensor placement, with greater discrepancies emerging during dynamic tasks (average ROM differences: ΔROMx = 5,9º ± 1,1º; ΔROMy = 1,1º ± 0,8º; ΔROMz = 5,6º ± 2,0º). In contrast, knee joint outputs demonstrated higher inter-sensor agreement, with minor inconsistencies in the frontal plane (average ROM differences: ΔROMx = 0,9º ± 0,3º; ΔROMy = 0,5º ± 1,1º; ΔROMz = 0,1º ± 0,5º). Skeleton-based experiments confirmed that muscular activity significantly affects signal integrity. These findings underscore the need for standardized sensor placement protocols and suggest positioning sensors distally, away from regions of high muscular activity, to enhance measurement reliability in wearable gait analysis.