Methodological assessment of an electromagnetic motion tracking device

Abstract

Denne studiens formål er å bestemme reliabiliteten til et instrument for tredimensjonal bevegelsesanalyse. Forståelsen av variasjon i målinger er basert på klassisk måleteori. To aspekter vedrørende reliabilitet har blitt undersøkt: instrument- og intrasubjektreliabilitet (test-retest).

Hensikten med denne studien er å beskrive kvaliteter som stabilitet, repeterbarhet og nøyaktighet for det aktuelle instrumentet. Instrumentets sensorer blir sporet ved diskrete tidsintervaller (240 Hz) i et varierende lavintensitets elektromagnetisk felt som genereres av en antenne (senderen). Instrumentets posisjonsmål i ro i tre retninger (x, y og z) ble testet både ved at sensorene var fiksert i en testramme av tre, og på seks testpersoner uten nakkesmerter (gjennomsnittlig alder ± standard avvik (SA), 40.5 ± 9.9 år; range 29 – 54 år).

I testrammen ble en sensor plassert i posisjoner med en varierende avstand til senderen. Repeterte opptak ble tatt. Instrumentet gir posisjonsmål med svært lavt SA for alle opptak. Dette innebærer at instrumentet gir data med nesten ingen støy (< 0.04 mm SA for en sensor < 0.5 m til sender i testrammen).

Resultatene viste at avstanden mellom sensor og sender var av stor betydning for størrelsen på systemets SA: økende avstand til sender økte SA i målingene. Tre sensorer ble plassert på de seks forsøkspersonene. Bare data fra sensoren som ble festet i pannen ble analysert i denne studien. Forsøkspersonene ble instruert til å reposisjonere hodet til en selvvalgt nøytral hodeposisjon med og uten bevegelse av nakken mellom hver reposisjonering. De seks forsøkspersonene viste et stigende SA ved økende lengde på tidsintervallet som grunnlag for beregningene, likevel var SA svært lave (< 0.6 mm SA for et tidsintervall på ett sekund). Variabiliteten i gjennomsnittlig posisjonsmål og SA var generelt svært små i x-retning og høyest i y-retning. Dette gjelder både for eksperimenter gjort i testrammen og med friske forsøkspersoner. Instrumentet gir avvikende gjennomsnittlige posisjonsmål ved introduksjon av metallobjekter som messing, bly og jern nær sensor. En aktiv elektrode for elektromyografisk registrering, Teflon og tegl påvirket ikke instrumentets posisjonsdata. Når sensorer plasseres innenfor 0.5 m fra sender og mengden metall i testoppsettet er begrenset, i ro og minst 0.4 m fra sensoren, gir instrumentet posisjonsmål som er repeterbare og stabile til en grad som langt overstiger den klinisk interessante presisjonsgrensen.

Nøkkelord: elektromagnetisk bevegelsesanalyse, tredimensjonal nakkebevegelse, kinematikk

Abstract

This aim of this study is to determine the reliability of a 3D motion tracking device. The understanding of variation in measurements is based on classical measurement theory. Two aspects of reliability have been examined. That is instrument and intrasubject reliability (test-retest).

The objective of this study is to describe characteristics such as stability, repeatability and accuracy for the present motion tracking system. The instrument tracks its sensors at discrete time intervals (240 Hz) in space in a varying low-intensity electromagnetic field generated by the transmitter (antenna). The instrument’s position measures in three directions (x, y and z) was tested at rest both with the instrument sensors in fixed positions in a wooden rig, and on six test persons without persistent neck pain (mean age ± standard deviation (SD), 40.5 ± 9.9 y; range 29 – 54 y).

In the wooden test rig, a sensor was positioned at varying distance related to the transmitter. Repeated recordings were made. The instrument provided position measures with a very low SD for all recordings i.e. the instrument provides data sets with hardly any noise (< 0.04 mm SD for a sensor < 0.5 m to transmitter in test rig).

The results show that the distance between sensor and transmitter was of great importance regarding the magnitude of the system SD i.e. increasing distance to transmitter increases SD in measurements. Three sensors were placed on the six test persons. Only data from the sensor positioned on the forehead were analysed in this study. The test persons were asked to reposition their head to a self-elected neutral head position with and without movement of the neck between each repositioning. An increasing SD with increasing time interval for calculation of SD was seen, still the variation were low (< 0.6 mm SD for a one second time interval). The variability in mean position measures and SD were generally remarkably low in x-direction and highest in y-direction. This was seen both in the rig and with humans tested. The instrument was affected by metallic objects such as brass, lead and iron by giving aberrant mean position measures when introduced close to sensor. An active electromyography electrode, Teflon and brick did not affect the instrument position data. When sensors are positioned within a 0.5 m distance to transmitter and the presence of metallic objects are limited, at rest and at least 0.4 m away from the sensor, the instrument provides a repeatability and stability that exceeds the clinical limit of precision.

Key words: electromagnetic motion tracking device, three-dimensional neck motion, kinematics