COMPARATIVE ANALYSIS OF KNEE JOINT KINEMATICS DURING WALKING USING IMU-BASED, MOTION CAPTURE-BASED AND OPENSIM JAM MODELING

This master’s thesis was carried out at the Human Movement Biomechanics research group at Katholieke Universiteit Leuven (Belgium), within the framework of the Erasmus+ collaboration between the University of Padova and KU Leuven. The assessment of knee joint kinematics during gait is essential for understanding lower-limb function and for supporting biomechanical analyses in both clinical and research contexts. Although knee flexion/extension is the dominant and most commonly investigated component of knee motion, frontal- and transverse-plane rotations, such as adduction/abduction and internal/external rotation, are also relevant for joint stability, alignment, and load distribution. However, these secondary components are more difficult to estimate reliably because of their smaller amplitude and their sensitivity to measurement procedures, anatomical definitions, calibration methods, and modelling assumptions. The aim of this thesis was to compare knee joint kinematics during walking estimated using three methodological approaches: a marker-based motion capture approach, an inertial measurement unit (IMU)-based approach, and a model-based approach using OpenSim Joint Articular Mechanics (OpenSim JAM) and COMAK. The analysis focused on the stance phase of gait and considered the three rotational components of tibiofemoral motion: flexion/extension, adduction/abduction, and internal/external rotation. Kinematic curves obtained from the three approaches were compared with reference values reported in the literature and analysed at both subject and group level. The results showed that knee flexion/extension presented the most consistent behaviour across methods, although differences were observed between COMAK-derived and experimentally derived curves during specific portions of stance. Larger methodological differences emerged for secondary knee rotations, particularly for adduction/abduction and internal/external rotation, where offsets, waveform differences, and subject-specific variability were more evident. These findings indicate that the estimation of three-dimensional knee kinematics depends not only on the recorded movement, but also on the experimental and modelling assumptions used to reconstruct tibiofemoral motion. Overall, this work highlights the potential and limitations of marker-based, wearable-sensor-based, and model-based approaches for the estimation of knee kinematics during walking. The comparison supports a more informed interpretation of secondary knee rotations and provides a basis for future applications of portable sensing technologies and advanced musculoskeletal models in gait analysis and biomechanical research.

Il presente lavoro di tesi magistrale è stato svolto presso il gruppo di ricerca Human Movement Biomechanics della Katholieke Universiteit Leuven (Belgio), nell’ambito della collaborazione Erasmus+ tra l’Università di Padova e KU Leuven. La valutazione della cinematica del ginocchio durante il cammino è essenziale per comprendere la funzione dell’arto inferiore e per supportare analisi biomeccaniche sia in ambito clinico sia di ricerca. Sebbene la flessione/estensione rappresenti la componente dominante e più comunemente studiata del movimento del ginocchio, anche le rotazioni nei piani frontale e trasverso, come adduzione/abduzione e rotazione interna/esterna, sono rilevanti per la stabilità articolare, l’allineamento e la distribuzione dei carichi. Tuttavia, queste componenti secondarie sono più difficili da stimare in modo affidabile a causa della loro minore ampiezza e della loro sensibilità alle procedure di misura, alle definizioni anatomiche, ai metodi di calibrazione e alle assunzioni di modellazione. L’obiettivo di questa tesi è stato confrontare la cinematica del ginocchio durante il cammino stimata mediante tre approcci metodologici: un approccio basato su motion capture marker-based, un approccio basato su unità di misura inerziali (IMU) e un approccio model-based basato su OpenSim Joint Articular Mechanics (OpenSim JAM) e COMAK. L’analisi si è concentrata sulla fase di appoggio del cammino e ha considerato le tre componenti rotazionali del movimento tibiofemorale: flessione/estensione, adduzione/abduzione e rotazione interna/esterna. Le curve cinematiche ottenute dai tre approcci sono state confrontate con valori di riferimento riportati in letteratura e analizzate sia a livello del singolo soggetto sia a livello di gruppo. I risultati hanno mostrato che la flessione/estensione del ginocchio presenta il comportamento più consistente tra i metodi, sebbene siano state osservate differenze tra le curve derivate da COMAK e quelle ottenute dagli approcci sperimentali in specifiche porzioni della fase di appoggio. Differenze metodologiche più marcate sono emerse per le rotazioni secondarie del ginocchio, in particolare per adduzione/abduzione e rotazione interna/esterna, dove offset, differenze nella forma delle curve e variabilità soggetto-specifica risultano più evidenti. Questi risultati indicano che la stima della cinematica tridimensionale del ginocchio dipende non solo dal movimento registrato, ma anche dalle assunzioni sperimentali e di modellazione utilizzate per ricostruire il movimento tibiofemorale. Nel complesso, questo lavoro evidenzia le potenzialità e le limitazioni degli approcci basati su motion capture marker-based, sensori indossabili e modellazione muscolo-scheletrica per la stima della cinematica del ginocchio durante il cammino. Il confronto supporta un’interpretazione più consapevole delle rotazioni secondarie del ginocchio e fornisce una base per future applicazioni delle tecnologie di sensing portatile e dei modelli muscolo-scheletrici avanzati nell’analisi del cammino e nella ricerca biomeccanica.