Human movement provides rich information about mobility, physical function and overall well-being. Accurate measurement and analysis of movements are therefore important for identifying impairments, guiding rehabilitation, optimizing sports performance, and informing assistive device design. In recent years, wearable sensing technologies such as inertial measurement units (IMUs) and pressure insoles have gained increasing attention as alternatives to conventional laboratory-based motion analysis systems. IMUs can estimate joint kinematics, while pressure insoles enable measurement of plantar loading and ground reaction forces. Compared with optical motion capture and force plate systems, wearable sensors offer greater portability and accessibility, with potential for use in clinical and at-home environment. Despite these advantages, estimation of internal biomechanical parameters, including joint torques and muscle activations, remains challenging because it requires integration of multiple sensor modalities with biomechanical models. To address this gap, an integrated biomechanical analysis system was developed by combining multi-modal wearable sensing with musculoskeletal simulation for real-time estimation of joint kinematics and kinetics. By providing biomechanical estimates during movement without extensive offline processing, the system has the potential to support immediate assessment and feedback in clinical, rehabilitation, and real-world settings. This thesis comprises two studies investigating the validity and application of the developed wearable system. In both studies, the wearable system was evaluated concurrently with a conventional laboratory-based reference system during a range of common activities, including static standing, physical performance tasks, and walking under different conditions.

In the first study, nine non-disabled participants were assessed to validate the wearable system against a laboratory-based reference. Joint angles, joint torques, and muscle activations were evaluated across of a range of tasks. The wearable system demonstrated good overall agreement for sagittal plane joint angles and ankle torques. Larger discrepancies were observed for knee and hip torque during walking, likely due to the lack of shear force measurements from the pressure insoles. Muscle activations estimated using static optimization showed overall consistent temporal patterns with electromyography across different movement conditions. A preliminary drift assessment further indicated that the system could preserve measurement consistency for at least five minutes of continuous movements.

In the second study, six individuals with transtibial amputation were assessed to further evaluate the validity of the wearable system for a clinical population. Wearable-derived joint angles, joint torques, and vertical ground reaction forces were compared with laboratory-based measurements across functional activities. The wearable system showed good agreement for joint angles and vertical forces, whereas accurate joint torque estimation was largely limited to the ankle. The validated variables were subsequently used to quantify inter-limb asymmetry, revealing pronounced differences in ankle range of motion and limb loading, particularly in the peak and impulse of vertical ground reaction force and ankle torque. Several asymmetry measures, especially those related to limb loading, were also associated with clinical mobility outcomes, such as Timed Up and Go (TUG) completion time.

These findings support the validity and potential clinical applicability of the integrated wearable system for real-time biomechanical assessment. Its ability to provide immediate estimates of joint kinematics, external loading and selected internal biomechanical variables may facilitate repeated assessment during rehabilitation and prosthetic evaluation. At the same time, the present hardware configuration constrains the accuracy of some derived variables such as proximal joint torques. An important contribution of this thesis is therefore the identification of biomechanical parameters that can be estimated with sufficient accuracy, together with the functional contexts in which these parameters are most informative. Future work will build on these validated parameters to investigate clinical and real-world applications, while alternative data-driven approaches maybe explored to improve estimation of biomechanical variables that remain difficult to estimate using the current model-based framework. 

Mänsklig rörelse innehåller rik information om mobilitet, fysisk funktion och allmänt välbefinnande. Noggrann mätning och analys av rörelse är därför viktig för att identifiera funktionsnedsättningar, vägleda rehabilitering, optimera idrottsprestation och bidra till utvecklingen av hjälpmedel. Under de senaste åren har bärbara sensortekniker, såsom tröghetsmätenheter (IMU:er) och tryckmätningssulor, fått ökad uppmärksamhet som alternativ till konventionella laboratoriebaserade system för rörelseanalys. IMU:er kan användas för att uppskatta ledkinematik, medan tryckmätningssulor möjliggör mätning av plantar belastning och markreaktionskrafter. Jämfört med optiska rörelseanalyssystem och kraftplattor erbjuder bärbara sensorer större portabilitet och tillgänglighet, med potential för användning i såväl kliniska miljöer som hemmiljöer. Trots dessa fördelar är uppskattning av interna biomekaniska parametrar, såsom ledmoment och muskelaktivering, fortfarande utmanande eftersom det kräver integrering av flera sensormodaliteter med biomekaniska modeller. För att möta denna utmaning utvecklades ett integrerat system för biomekanisk analys som kombinerar multimodal bärbar sensorteknik med muskuloskeletal simulering för realtidsuppskattning av ledkinematik och kinetik. Genom att tillhandahålla biomekaniska uppskattningar direkt under rörelse, utan omfattande efterbearbetning, har systemet potential att möjliggöra omedelbar bedömning och återkoppling inom klinik, rehabilitering och vardagsnära miljöer. Avhandlingen omfattar två studier som undersöker det utvecklade systemets validitet och tillämpning. I båda studierna utvärderades det bärbara systemet parallellt med ett konventionellt laboratoriebaserat referenssystem under ett antal vanligt förekommande aktiviteter, inklusive statiskt stående, funktionella rörelseuppgifter och gång under olika förhållanden.

I den första studien undersöktes nio personer utan funktionsnedsättning för att validera det bärbara systemet mot ett laboratoriebaserat referenssystem. Ledvinklar, ledmoment och muskelaktivering utvärderades under ett flertal rörelseuppgifter. Det bärbara systemet visade överlag god överensstämmelse för ledvinklar i sagittalplanet och för fotledsmoment. Större avvikelser observerades för knä- och höftledsmoment under gång, vilket sannolikt delvis berodde på att tryckmätningssulorna inte kunde mäta skjuvkrafter. Muskelaktivering uppskattad med statisk optimering uppvisade övergripande tidsmönster som överensstämde med elektromyografi under olika rörelseförhållanden. En preliminär utvärdering av sensordrift visade dessutom att systemet kunde bibehålla stabila mätningar under minst fem minuters kontinuerlig rörelse.

I den andra studien undersöktes sex personer med transtibial amputation för att ytterligare utvärdera det bärbara systemets validitet i en klinisk population. Ledvinklar, ledmoment och vertikala markreaktionskrafter uppskattade med det bärbara systemet jämfördes med laboratoriebaserade mätningar under olika funktionella aktiviteter. Systemet visade god överensstämmelse för ledvinklar och vertikala markreaktionskrafter, medan noggrann uppskattning av ledmoment huvudsakligen var begränsad till fotleden. De validerade parametrarna användes därefter för att kvantifiera asymmetri mellan extremiteterna. Analysen visade tydliga skillnader i fotledens rörelseomfång och belastningsfördelning, särskilt avseende toppvärde och impuls för vertikal markreaktionskraft och fotledsmoment. Flera asymmetrimått, framför allt sådana relaterade till belastning, var dessutom associerade med kliniska mått på mobilitet, såsom genomförandetid i Timed Up and Go (TUG).

Sammantaget stödjer resultaten validiteten och den potentiella kliniska tillämpbarheten hos det integrerade bärbara systemet för biomekanisk analys i realtid. Möjligheten att omedelbart uppskatta ledkinematik, extern belastning och utvalda interna biomekaniska parametrar kan underlätta upprepade bedömningar under rehabilitering och utvärdering av protesfunktion. Samtidigt begränsar den nuvarande hårdvarukonfigurationen noggrannheten för vissa härledda parametrar, såsom proximala ledmoment. Ett viktigt bidrag från avhandlingen är därför identifieringen av vilka biomekaniska parametrar som kan uppskattas med tillräcklig noggrannhet samt i vilka funktionella sammanhang dessa parametrar är mest informativa. Framtida arbete kommer att bygga vidare på dessa validerade parametrar för att undersöka riktade kliniska och verklighetsnära tillämpningar, samtidigt som alternativa datadrivna metoder kan utforskas för att förbättra uppskattningen av biomekaniska variabler som fortfarande är svåra att bestämma med tillräcklig noggrannhet inom det nuvarande modellbaserade ramverket.