Quantitative assessment of locomotor skills development in childhood using wearable inertial sensor devices

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1 Università degli studi di Roma Foro Italico Dottorato di Ricerca in Scienze dello Sport e Salute XXIII Ciclo Quantitative assessment of locomotor skills development in childhood using wearable inertial sensor devices Settore Scientifico Disciplinare: M-EDF/02 Metodi e didattiche delle attività sportive Tutore Dott. Giuseppe Vannozzi Dottorando Dott.ssa Ilaria Masci

2 Abstract During childhood, the progressive acquisition of motor skills is crucial not only for the development of specific motor behaviors, but also for cognitive, affective and social personality development. In particular, researchers have suggested that the acquisition of fundamental locomotor skills (FLS), such as running and jumping, may positively correlate with health-related fitness, a higher selfesteem and an active lifestyle in adulthood. This circumstance suggests that knowledge of individual's motor development is a critical factor to consider. In the past, developmental specialists could identify individual skill developmental level through the use of developmental sequences. According to this approach, a specialist watches a child performing a specific motor skill, looking at both leg and arm action, and then makes a decision based on matching performance with qualitative descriptions of each developmental level. As a result, based on developmental sequences, many in-field motor test batteries have been developed. However, qualitative assessment of locomotor skills is not without limitations. Developmental sequences are relatively fast and easily administered, providing developmental information without complex data post-processing. On the other hand, they show a very low sensitivity to small changes in motor development and are unable to discriminate among participants positioned in one extreme of the scale of the developmental sequence. Moreover, they are dependent upon subjective evaluations carried out by an expert. Traditional instrumented movement analysis may be considered as an alternative approach for assessing motor behavior, providing mechanical and neuromuscular parameters that are highly sensitive to the level of execution. Scientific literature shows that these approach have been used to study motor development in healthy children as well as in children with motor disorders. However, this approach is usually time consuming and expensive, requiring access to specialized equipments, dedicated laboratory set-ups and a demanding data post-processing. Nowadays, wearable inertial devices are the best compromise between in-field and laboratory requirements. They can measure movement-related data (acceleration and angular velocity) without any space limitation and no cumbersome setup. New generation of wearable inertial sensor devices (WISD) is portable, cheap, easy-to-use and allow to perform activities in real situations. For all these reasons, the availability of wearable motion sensors has opened new perspectives in the field of human movement analysis. Several studies have demonstrated feasibility and validity in using WISDs for monitoring human movements and quantitatively measuring movement-related parameters. However, so far, no study focused on the assessment of motor skills development using a single WISD. 2

3 The purpose of this doctoral project was to examine the ability of a single WISD to quantify FLS developmental differences in order to provide an in-field quantitative tool to anyone interested in motor development assessment. In particular, it was investigated whether a WISD positioned at a lower trunk level is able to provide temporal and kinematic parameters sensitive to developmental changes according to developmental sequences. The chosen motor paradigms were the locomotor skills included in one of the most used test that comprises the execution of a set of movement skills usually included in physical education programs for primary school: running, galloping, hopping, leaping, horizontal jumping, sliding. The main objective was pursued relative to each FLS, combining the use of a single WISD with a validated developmental sequence. Taking into account eventual suggestions from the scientific literature, quantitative parameters were proposed and relevant calculations implemented into appropriate algorithms, specifically devised to process measured data. For each FLS and according to the specific developmental sequence, children were grouped in developmental levels. The last step consisted in assessing whether statistical differences existed among the developmental levels using the computed parameters. So far, three (hopping, running, horizontal jumping) out of six FLS have been analyzed. The proposed approach demonstrated to be suitable for assessing locomotor skills, providing a different set of parameters for each FLS, sensitive to the relative developmental sequence. This innovative application of the inertial sensor devices is promising as a user-independent tool that any operator, even with no background in instrumented movement analysis, can be able to use directly in ecological settings, such as schools and gyms. 3

4 Sommario Durante l infanzia, l acquisizione progressiva delle abilità motorie da parte del bambino è cruciale non solo per lo sviluppo di particolari comportamenti motori ma anche per lo sviluppo cognitivo, affettivo e sociale dell individuo. In particolare, i ricercatori nell ambito dello sviluppo motorio evidenziano come l acquisizione delle abilità locomotorie fondamentali (Fundamental Locomotor Skills, FLS), come la corsa e il salto, sia correlata positivamente con la condizione di benessere fisico del bambino, alti livelli di autostima e uno stile di vita sano in età adulta. Questi dati suggeriscono che la conoscenza dello sviluppo motorio del bambino costituisce un fattore critico da dover prendere in considerazione. Gli specialisti dello sviluppo motorio, interessati all identificazione del livello di sviluppo delle abilità motorie, si avvalgono generalmente delle cosiddette sequenze di sviluppo, ovvero di sequenze che descrivono le modificazioni del movimento che avvengono durante lo sviluppo di una specifica abilità motoria. Secondo questo tipo di approccio, lo specialista osserva il bambino eseguire una particolare abilità motoria, in particolare guardando al movimento degli arti superiori ed inferiori, e valuta di conseguenza il livello di sviluppo di quella particolare abilità confrontando l esecuzione del bambino con la corrispondente descrizione qualitativa riportata nella sequenza di sviluppo. Tale valutazione qualitativa delle abilità locomotorie non è esente da limiti. Infatti, le sequenze di sviluppo pur risultando relativamente semplici e veloci da somministrare, e pur non richiedendo una complessa fase di elaborazione dati, forniscono, però, risultati spesso poco sensibili ai piccoli cambiamenti che avvengono nel corso dello sviluppo del comportamento motorio. Inoltre, tale valutazione non consente di discriminare tra loro esecuzioni che si collocherebbero ai margini della sequenza di sviluppo, ed i risultati forniti sono fortemente dipendenti dalla valutazione soggettiva dell operatore. La tradizionale analisi del movimento può essere considerata una valida alternativa da adottare per la valutazione del comportamento motorio, poiché è in grado di fornire parametri meccanici e neuromuscolari altamente sensibili al livello di esecuzione. La letteratura scientifica mostra come questo approccio sia stato ampiamente utilizzato per lo studio dello sviluppo motorio, sia in bambini sani che in presenza di disturbi del movimento. Tuttavia, questo tipo di valutazione richiede l utilizzo di strumentazioni assai costose, lunghe sedute di acquisizione dei dati, set-up sperimentali dedicati e complesse fasi di elaborazione dei dati raccolti. Ad oggi, i dispositivi inerziali indossabili rappresentano il miglior compromesso tra le esigenze pratiche degli specialisti dello sviluppo e quelle di chi si occupa di valutare lo stesso fenomeno all interno di laboratori di analisi del movimento. Si tratta di dispositivi capaci di misurare 4

5 parametri correlati con il movimento del corpo umano (accelerazioni lineari e velocità angolari), senza limitazioni nel volume di acquisizione dei dati e senza la necessità di set-up sperimentali specifici. La nuova generazione di sensori inerziali indossabili (Wearable Inertial Sensor Devices, WISDs) è portabile, economica, facile da utilizzare e consente di eseguire il gesto in contesti ecologici. Per tutte queste ragioni, la disponibilità di dispositivi indossabili sensibili al movimento umano ha aperto nuove prospettive nel campo dell analisi del movimento. Diversi studi scientifici hanno dimostrato l affidabilità e la validità dell utilizzo dei WISDs per la misurazione quantitativa di parametri in grado di descrivere il movimento. Ad oggi, tuttavia, nel panorama della letteratura scientifica, non esiste alcuno studio in cui la valutazione dello sviluppo delle abilità motorie nel bambino sia stata effettuata tramite sensori inerziali. L obiettivo di questo progetto di dottorato è stato quello di esaminare la capacità di un singolo WISD nel quantificare le differenze di sviluppo delle FLS in età scolare, al fine di ottenere uno strumento da campo in grado di fornire una valutazione quantitativa a beneficio di tutti coloro che si interessano di valutazione dello sviluppo motorio. In particolare, l obiettivo è stato quello di esaminare la capacità di un WISD nel fornire parametri quantitativi, sia temporali sia cinematici, che fossero sensibili ai diversi livelli di sviluppo di una specifica abilità motoria. I paradigmi motori scelti per l analisi sono le abilità locomotorie considerate fondamentali e perciò generalmente incluse nei programmi curriculari delle scuole primarie: corsa, galoppo frontale, saltelli in avanti su un piede, superamento di un ostacolo, salto in avanti da fermo, galoppo laterale. L obiettivo principale del progetto è stato conseguito relativamente a ciascuna FLS, combinando l uso di un singolo WISD con una sequenza di sviluppo già validata in letteratura. Tenendo conto di eventuali suggerimenti presenti nella letteratura scientifica, sono stati proposti dei parametri quantitativi, stimati tramite algoritmi ideati ed implementati ad-hoc per elaborare i dati in uscita dal sensore. Per ogni FLS, i bambini sono stati raggruppati in livelli di esecuzione secondo la relativa sequenza di sviluppo. L ultimo passo è stato verificare se i parametri stimati fossero in grado di evidenziare delle differenze statisticamente significative tra bambini appartenenti a diversi livelli di sviluppo. L analisi ha riguardato tre (saltello in avanti su un piede, corsa, salto in avanti da fermo) delle sei FLS scelte. L approccio proposto si è mostrato adatto alla valutazione delle abilità locomotorie, poiché i set di parametri stimati ad-hoc per ogni FLS si sono rivelati sensibili ai livelli di sviluppo definiti nelle relative sequenze. L applicazione dei sensori inerziali nell ambito della valutazione dello sviluppo motorio è, dunque, risultata efficace. In prospettiva, un sensore inerziale dedicato (cioè dotato del relativo software di analisi dati) potrebbe costituire uno strumento in grado di fornire una valutazione oggettiva del livello di sviluppo motorio e di essere utilizzato direttamente 5

6 in ambienti ecologici, come scuole e palestre, da operatori senza alcuna esperienza nell ambito dell analisi strumentale del movimento umano. 6