使用磁惯性测量单元测量单平面和运动特定躯干运动：Noraxon和Xsens系统相对于回复反射系统的同时有效性

权利和内容

摘要

出身背景

市场上有一系列磁惯性测量单元（MIMU）系统，但传感器规格和融合方法因制造商而异。这种可变性会影响MIMU相对于参考标准测量装置的同时有效性。在静态或低速条件下比较了不同的MIMU，在基于机器人的研究中评估了更高的速度运动。然而，需要在基于人类的研究中建立更高速度运动的同时有效性。

研究问题

本研究旨在评估两种商用MIMU系统（Noraxon和Xsens）在单平面运动范围（ROM）和板球保龄球（涉及高速、多平面运动）期间测量躯干角度时，相对于“黄金标准”反光运动捕捉系统的同时有效性。

方法

对于这项基于标准的有效性研究，两个MIMU系统都采用了可比较的传感器规范，并采用了卡尔曼滤波传感器融合算法。将基于MIMU的角度与从同时捕获的10名快速中等投球手的三维后向反射数据得出的角度进行比较。计算了两个MIMU系统的统计参数映射和均方根差（RMSD）。

后果

与基于回复反射的角度输出相比，一维统计参数映射显示两个MIMU系统的角度没有显著差异。MIMU系统产生的ROM RMSD介于1.4±1.0°和2.6±1.5°之间。一个系统在保龄球过程中显示的RMSD介于4.6±1.4°和7.4±1.9°之间，表明与反向反射衍生角度的功能相关差异。MIMU系统之间的RMSD存在一些微小但统计上显著的差异。

意义

基于MIMU的角度精度在高速、多平面运动中比单平面运动更差。类似的MIMU系统可以在ROM和保龄球任务期间产生不同的测量结果。可能是不同的采样率和传感器融合算法参数导致了差异。

介绍

磁惯性测量单元（MIMU）是运动分析人员特别感兴趣的可穿戴技术，因为它们能够在实验室外测量三维（3D）方位。将MIMU连接到身体节段并将其对齐，可以近似计算节段运动学。通过进一步校准和计算，还可以从磁惯性传感器数据计算关节运动学[1]。基于MIMU的运动学测量已广泛应用于各种背景；从临床姿势和步态评估到高速运动分析[1]。

商用MIMU模型包括三个三轴传感器：加速计、陀螺仪和磁力计。MIMU系统之间的传感器规格可能有所不同，取决于系统的成本和预期应用（例如，运动特定分析、临床评估）。为了估计MIMU 3D方位，加速计、陀螺仪和磁力计数据通过算法进行融合，这些算法通常被纳入制造商的专有软件中。卡尔曼滤波器[2]是制造商最常用的传感器融合方法[3]。卡尔曼滤波算法根据当前信息和一组控制参数预测未来状态[4]。制造商使用的精确算法和参数通常是专有的且未公开的，这表明系统之间存在可能影响可靠性和有效性的潜在可变性[3]。

有限的研究比较了MIMU系统之间的性能。一项评估了九种不同MIMU模型静态定向精度的研究发现，某些MIMU系统的测量误差高达8.4°[5]。一些先前的研究将运动期间的均方根差（RMSD）分类为可接受，如果它们低于5°[6]，[7]。尽管该参考值尚未在所有情况下得到验证，但建议静态方向差异应低于该阈值似乎是合理的。一对研究通过使用能够在所有运动平面上移动的机器人万向架工作台，评估了三个MIMU模型的测量精度[8]，[9]。作者得出的结论是，增加运动速度或持续时间会加剧5°以上的测量误差，有些误差与制造商规定的带宽相差很大。

研究还评估了体内MIMU方位估计的准确性。一个斯图