Comparative analysis of methods for calculating whole body angular momentum: with special reference to body segment inertial parameters

Abstract

Quantifying whole body angular momentum (WBAM) is important in many aspects of biomechanics, from analysing the dynamics of complex acrobatic maneuvers to understanding balance in everyday activities such as walking. Two calculation methods – the kinematic method and the impulse method – can be used to determine WBAM. Both methods have inherent sources of error, and they also depend on estimates of inertial properties of body segments. Despite their widespread use, these methods have not been thoroughly compared. The aim of this study was to investigate the potential differences in WBAM values derived from these two computational approaches.

In this study, two male gymnasts performed different jumping tasks where WBAM was calculated in the sagittal plane. Data were collected using a Vicon motion capture system at 200 Hz with 16 cameras together with an AMTI force plate. Three regression equation-based body segment inertial parameter (BSIP) models were used together with the kinematic and the impulse methods to evaluate the differences between these methods in calculating WBAM.

The findings revealed statistically significant differences in WBAM values between the kinematic and impulse methods. Variations between the BSIP models also significantly influenced the WBAM values. However, the choice of calculation method had a larger impact on the WBAM values than the choice of BSIP model. The kinematic method yielded more consistent results between different BSIP models than the impulse method. This suggests that the kinematic method may be more suitable for WBAM assessment in biomechanical research than the impulse method.

Koko kehon pyörimismäärän määrittäminen on olennainen osa biomekaniikkaa. Sitä voidaan hyödyntää laajasti, alkaen monimutkaisten akrobaattisten liikkeiden analysoinnista aina kävelyn aikana tapahtuvan tasapainon säätelyn ymmärtämiseen. Koko kehon pyörimismäärän laskentaan on olemassa kaksi erilaista lähestymistapaa: kinematiikkaan perustuva menetelmä sekä impulssiin perustuva menetelmä. Kummallakin näistä menetelmistä on omat virhelähteensä, ja ne ovat myös riippuvaisia kehon hitausominaisuuksien arvioista. Menetelmien laajasta käytöstä huolimatta niiden välisiä eroja ei ole vielä tutkittu. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää mahdollisia eroja kinematiikka- ja impulssimenetelmien kautta lasketuissa koko kehon pyörimisliikemäärissä.

Tutkimuksessa kaksi miespuolista telinevoimistelijaa suorittivat erilaisia ponnistavia liikkeitä, joiden ajalta koko kehon pyörimismäärää laskettiin sagittaalitasossa. Suoritusten analysointia varten dataa kerättiin Vicon liikekaappausjärjestelmää hyödyntäen 16:lla kameralla 200 Hz:n taajuudella yhdessä AMTI voimalevyn kanssa. Kolmea regressioyhtälöihin perustuvaa kehon hitausominaisuuksia arvioivaa segmenttimallia käytettiin yhdessä kinematiikka- ja impulssimenetelmien kanssa arvioimaan menetelmien välisiä eroja koko kehon pyörimismäärän laskennassa.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että kinematiikka- ja impulssimenetelmillä lasketuissa koko kehon pyörimismäärissä on tilastollisesti merkittäviä eroja. Lisäksi segmenttimallien väliset erot vaikuttivat tilastollisesti laskettuihin arvoihin. Kuitenkin laskentamenetelmän valinnalla havaittiin olevan suurempi vaikutus koko kehon pyörimismäärän laskennallisiin arvoihin kuin segmenttimallin valinnalla. Kinematiikkamenetelmän tuottamat pyörimismäärän arvot olivat johdonmukaisempia eri segmenttimallien välillä verrattuna impulssimenetelmän tuottamiin arvoihin. Nämä tulokset viittaavat siihen, että kinematiikkamenetelmä saattaa olla impulssimenetelmää soveltuvampi tapa arvioimaan koko kehon pyörimismäärää biomekaniikan tutkimuksissa.