Human-Gait-Biomechanics-Analysis-Visualization

🇦🇺 Version

1. Tracker Gait Analysis

• File: tracker_gait_analysis.csv
• Application: https://opensourcephysics.github.io/tracker-website/

What it contains:

• Raw 2D coordinates (x, y) of anatomical markers: shoulder, hip, knee, ankle, mt5.
• Each row corresponds to one frame of the video (30 fps).
• Each point represents the spatial position of a physical marker.

Biomechanical meaning:

• Represents the spatial trajectory of body movement during gait.

This data allows for:

• Visualising full-body motion as a stick figure.
• Calculating distances between markers to determine segment lengths.
• Analysing individual marker trajectories (for example, ankle vertical motion).

Example analyses:

1. 2D or 3D stick figure showing body motion across frames.
2. XY trajectories of individual markers.
3. Velocity and acceleration curves derived from position data.

Reference: Winter, D.A. (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement.

2. Body Segments

File: body_segments.csv

What it contains: 2D (x, y) positions of body segments: TRK (trunk), THIGH, LEG, FOOT. These are typically derived from raw marker data, for example, the thigh is the line between hip and knee markers.

Biomechanical meaning:

• Represents the spatial position and orientation of each rigid segment of the body.
• Each line defines a rigid component used to:

1. Calculate segment length (distance between endpoints).
2. Determine segment orientation (angle relative to the horizontal axis).
3. Estimate joint centres or force vectors in kinematic models.

Example analyses:

1. Segment line plots connecting anatomical markers.
2. Length vs time graphs to detect artefacts.
3. Segment orientation angles vs time.

Reference: Vaughan, C.L., Davis, B.L., & O’Connor, J.C. (1992). Dynamics of Human Gait.

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3. Segments in Degrees

File: segments_in_degrees.csv

What it contains:

• Absolute orientation angles (in degrees) of each segment (TRK, THIGH, LEG, FOOT) with respect to a global reference (typically horizontal).

Example:

time | TRK | THIGH | LEG | FOOT

0.00 | 10.2 | 45.7 | 70.3 | 82.1

Biomechanical meaning:

• Represents the absolute angular orientation of each segment in space, not the joints themselves.
• These data describe how each body segment rotates relative to the laboratory frame.

Useful for:

1. Assessing overall body posture.
2. Analysing segmental rotations (e.g., trunk inclination).
3. Comparing inter-segmental coordination.

Example analyses:

1. Segment angles vs time.
2. Cyclograms between segments (e.g., TRK–THIGH).
3. Angular heatmaps showing relative rotation amplitudes.

Reference: Kadaba, M.P., Ramakrishnan, H.K., & Wootten, M.E. (1989). Measurement of lower extremity kinematics during level walking.

4. Joint Angles: File: joint_angles.csv

What it contains:

• Relative joint angles (in degrees) for main joints: HIP, KNE, and ANK.
• Computed by subtracting adjacent segment angles, for example:

Knee angle = THIGH − LEG

Biomechanical meaning:

• Describes the internal rotation at each joint.
• These values represent the primary kinematic variables in gait analysis and define range of motion (ROM) and inter-joint coordination.

Used for:

1. Analysing flexion/extension patterns.
2. Quantifying range of motion per gait phase.
3. Studying coordination between joints.

Example analyses:

1. Joint angle vs time curves for hip, knee, and ankle.
2. Cyclograms (e.g., hip vs knee) for inter-joint coordination.
3. 3D trajectories showing hip–knee–ankle angular evolution.

Reference: Winter, D.A. (1991). The Biomechanics and Motor Control of Human Gait.

5. Muscle Length Equations

File: muscle_length_equations.csv

What it contains: Estimated normalised muscle lengths for specific muscles (e.g., biceps femoris, rectus femoris, vastus lateralis), derived from joint angles.

Example:

time | hip | knee | biceps_femoris | rectus_femoris 0.00 | 27.7 | 14.6 | 1.05 | 0.96

Biomechanical meaning:

• Shows how each muscle lengthens or shortens depending on joint motion.
• Even without EMG data, it allows inference of muscle activity phases (eccentric vs concentric).

Used for:

1. Identifying eccentric and concentric contractions.
2. Analysing timing and coordination of muscle activation.
3. Estimating muscle efficiency and torque generation.

Example analyses:

1. Muscle length vs time curves.
2. 3D surface plots of muscle length relative to hip and knee angles.
3. Comparative analysis of agonist–antagonist muscles.

Reference: Arnold, A.S., & Delp, S.L. (2001). Computer models of lower extremity musculoskeletal anatomy.

File	Represents	Type of data	What you can analyse
Tracker Gait Analysis	2D marker coordinates	Spatial (x, y)	Trajectories, velocities, posture
Body Segments	Lines between markers	Spatial (x, y)	Segment length, orientation
Segments in Degrees	Absolute segment angles	Angular (°)	Posture and inter-segment coordination
Joint Angles	Relative joint rotations	Angular (°)	Flexion/extension, inter-joint coordination
Muscle Length Equations	Estimated muscle lengths	Normalised (0–1)	Muscle activity, efficiency, control

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🇦🇷 Version

Tracker Gait Analysis

• Archivo: tracker_gait_analysis.csv
• Aplicacion: https://opensourcephysics.github.io/tracker-website/

Qué contiene:

1. Crudo — son las coordenadas (x, y) de los marcadores anatómicos: shoulder, hip, knee, ankle, mt5.

• Cada fila = un frame del video (a 30 fps).
• Cada punto = posición 2D de un marcador físico.

Qué significa biomecánicamente:

Representa la trayectoria real del movimiento del cuerpo durante la marcha. Podés:

• Visualizar el movimiento corporal completo (modelo de “stick figure”).
• Calcular distancias entre puntos → longitudes de segmentos.
• Analizar trayectorias individuales (p. ej., el movimiento vertical del tobillo o la rodilla).

Ejemplo de gráficos:

1. Stick figure 2D o 3D del cuerpo moviéndose con el tiempo.
2. Trayectorias (x,y) de un marcador (ej. “cómo sube y baja el tobillo”).
3. Velocidades o aceleraciones derivadas de la posición.

📚 Referencia: Winter, D.A. (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement.

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Body Segments - Archivo: body_segments.csv

Qué contiene:

• Posiciones (x, y) de los centros o líneas de los segmentos corporales:
  • TRK (tronco), THIGH (muslo), LEG (pierna), FOOT (pie).

Estos se calculan a partir de los puntos crudos (p. ej. el muslo es la línea entre cadera y rodilla).

Qué significa biomecánicamente:

• Te da la posición espacial del segmento, no de los puntos anatómicos.
• Cada línea representa un componente rígido del cuerpo, útil para:

1. Calcular longitud de cada segmento (distancia entre puntos extremos).
2. Determinar su orientación angular (inclinación respecto al eje horizontal).
3. Usar en cinemática directa para estimar centros articulares o vectores de fuerza.

Ejemplo de gráficos:

1. Representar cada segmento como una línea entre sus puntos extremos.
2. Gráfico de longitud vs tiempo (para ver si hay desplazamiento relativo).
3. Gráfico de orientación angular del segmento.

📚 Referencia: Vaughan et al. (1992). Dynamics of Human Gait.

Segments in Degrees: Archivo: segments_in_degrees.csv

Qué contiene:

• Los ángulos absolutos (en grados) de cada segmento (TRK, THIGH, LEG, FOOT) respecto a una referencia (normalmente el eje horizontal).

Ejemplo:

time | TRK | THIGH | LEG | FOOT

0.00 | 10.2 | 45.7 | 70.3 | 82.1

Qué significa biomecánicamente:

• Describe la orientación angular de cada segmento corporal en el espacio.
• No mide articulaciones, sino el ángulo del segmento completo.

Sirve para:

1. Evaluar postura general del cuerpo.
2. Analizar rotaciones absolutas (por ejemplo, inclinación del tronco).
3. Comparar patrones entre segmentos (coordinación intersegmentaria).

Ejemplo de gráficos:

1. Segment angles vs time (3D) → muestra cómo gira cada parte.
2. Cyclograms entre segmentos → relación TRK–THIGH, etc.
3. Heatmap angular → qué segmento rota más o menos.

📚 Referencia: Kadaba et al. (1989). Measurement of lower extremity kinematics during level walking.

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Joint Angles: Archivo: joint_angles.csv

Qué contiene:

• Los ángulos articulares relativos (en grados) de las principales articulaciones: HIP, KNE, ANK.

Estos se obtienen restando los ángulos absolutos de los segmentos adyacentes, por ejemplo:

Angulo de rodilla = THIGH − LEG

Qué significa biomecánicamente:

• Representa la rotación interna de la articulación.
• Es el dato central de un análisis de marcha, porque define la amplitud de movimiento (ROM) y la coordinación entre articulaciones.

Sirve para:

1. Analizar flexión y extensión.
2. Calcular rangos de movimiento.
3. Comparar patrones entre sujetos o condiciones.

Ejemplo de gráficos:

1. Joint angles vs time → curvas típicas de marcha (hip, knee, ankle).
2. Cyclogramas (hip vs knee, etc.) → coordinación interarticular.
3. 3D trajectories → hip-knee-ankle coordination with time.

📚 Referencia: Winter, D.A. (1991). The biomechanics and motor control of human gait.

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Muscle Length Equations: Archivo: muscle_length_equations.csv

Qué contiene:

• Estimaciones de la longitud normalizada de músculos específicos (p. ej. bíceps femoral, gastrocnemio, recto femoral), derivadas de los ángulos articulares.

Ejemplo:

time | hip | knee | biceps_femoris | rectus_femoris

0.00 | 27.7 | 14.6 | 1.05 | 0.96

Qué significa biomecánicamente:

• Muestra cómo varía la longitud de un músculo según los ángulos articulares.
• Permite inferir actividad o tensión muscular, incluso sin EMG.

Sirve para:

1. Identificar fases excéntricas y concéntricas (alargamiento/acortamiento).
2. Evaluar sincronización muscular con la marcha.
3. Predecir momentos articulares o eficiencia muscular.

Ejemplo de gráficos:

1. 3D Surface Plot: longitud muscular vs ángulos de cadera y rodilla.
2. Muscle length vs time: evolución durante el ciclo.
3. Comparación entre músculos.

📚 Referencia: Arnold & Delp (2001). Computer models of lower extremity musculoskeletal anatomy.

Archivo	Qué representa	Tipo de variable	Qué podés analizar
Tracker Gait Analysis	Coordenadas 2D de marcadores	Espacial (x, y)	Trayectorias, velocidades, postura
Body Segments	Líneas rígidas entre marcadores	Espacial (x, y)	Longitud, orientación segmentaria
Segments in Degrees	Ángulo absoluto del segmento	Angular (°)	Postura y coordinación entre segmentos
Joint Angles	Ángulo relativo entre segmentos	Angular (°)	Flexo-extensión, coordinación articular
Muscle Length Equations	Longitud estimada de músculos	Normalizada (0–1)	Actividad, eficiencia, control muscular