Real-time human ambulation, activity, and physiological monitoring:taxonomy of issues, techniques, applications, challenges and limitations

Automated methods of real-time, unobtrusive, human ambulation, activity, and wellness monitoring and data analysis using various algorithmic techniques have been subjects of intense research. The general aim is to devise effective means of addressing the demands of assisted living, rehabilitation, and clinical observation and assessment through sensor-based monitoring. The research studies have resulted in a large amount of literature. This paper presents a holistic articulation of the research studies and offers comprehensive insights along four main axes: distribution of existing studies; monitoring device framework and sensor types; data collection, processing and analysis; and applications, limitations and challenges. The aim is to present a systematic and most complete study of literature in the area in order to identify research gaps and prioritize future research directions

Recognition of false alarms in fall detection systems

Falls are a major cause of hospitalization and injury-related deaths among the elderly population. The detrimental effects of falls, as well as the negative impact on health services costs, have led to a great interest on fall detection systems by the health-care industry. The most promising approaches are those based on a wearable device that monitors the movements of the patient, recognizes a fall and triggers an alarm. Unfortunately such techniques suffer from the problem of false alarms: some activities of daily living are erroneously reported as falls, thus reducing the confidence of the user. This paper presents a novel approach for improving the detection accuracy which is based on the idea of identifying specific movement patterns into the acceleration data. Using a single accelerometer, our system can recognize these patterns and use them to distinguish activities of daily living from real falls; thus the number of false alarms is reduced

Wearable Sensors and Machine Learning based Human Movement Analysis – Applications in Sports and Medicine

Die Analyse menschlicher Bewegung außerhalb des Labors unter realen Bedingungen ist in den letzten Jahren sowohl in sportlichen als auch in medizinischen Anwendungen zunehmend bedeutender geworden. Mobile Sensoren, welche am Körper getragen werden, haben sich in diesem Zusammenhang als wertvolle Messinstrumente etabliert. Auf Grund des Umfangs, der Komplexität, der Heterogenität und der Störanfälligkeit der Daten werden vielseitige Analysemethoden eingesetzt, um die Daten zu verarbeiten und auszuwerten. Zudem sind häufig Modellierungsansätze notwendig, da die gemessenen Größen nicht auf direktem Weg aussagekräftige biomechanische Variablen liefern. Seit wenigen Jahren haben sich hierfür Methoden des maschinellen Lernens als vielversprechende Instrumente zur Ermittlung von Zielvariablen, wie beispielsweise der Gelenkwinkel, herausgestellt. Aktuell befindet sich die Forschung an der Schnittstelle aus Biomechanik, mobiler Sensoren und maschinellem Lernen noch am Anfang. Der Bereich birgt grundsätzlich ein erhebliches Potenzial, um einerseits das Spektrum an mobilen Anwendungen im Sport, insbesondere in Sportarten mit komplexen Bewegungsanforderungen, wie beispielsweise dem Eishockey, zu erweitern. Andererseits können Methoden des maschinellen Lernens zur Abschätzung von Belastungen auf Körperstrukturen mittels mobiler Sensordaten genutzt werden. Vor allem die Anwendung mobiler Sensoren in Kombination mit Prädiktionsmodellen zur Ermittlung der Kniegelenkbelastung, wie beispielsweise der Gelenkmomente, wurde bisher nur unzureichend erforscht. Gleichwohl kommt der mobilen Erfassung von Gelenkbelastungen in der Diagnostik und Rehabilitation von Verletzungen sowie Muskel-Skelett-Erkrankungen eine zentrale Bedeutung zu. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es, festzustellen inwieweit tragbare Sensoren und Verfahren des maschinellen Lernens zur Quantifizierung sportlicher Bewegungsmerkmale sowie zur Ermittlung der Belastung von Körperstrukturen bei der Ausführung von Alltags- und Sportbewegungen eingesetzt werden können. Die Dissertation basiert auf vier Studien, welche in internationalen Fachzeitschriften mit Peer-Review-Prozess erschienen sind. Die ersten beiden Studien konzentrieren sich zum einen auf die automatisierte Erkennung von zeitlichen Events und zum anderen auf die mobile Leistungsanalyse während des Schlittschuhlaufens im Eishockey. Die beiden weiteren Studien präsentieren jeweils einen neuartigen Ansatz zur Schätzung von Belastungen im Kniegelenk mittels künstlich neuronalen Netzen. Zwei mobile Sensoren, welche in eine Kniebandage integriert sind, dienen hierbei als Datenbasis zur Ermittlung von Kniegelenkskräften während unterschiedlicher Sportbewegungen sowie von Kniegelenksmomenten während verschiedener Lokomotionsaufgaben. Studie I zeigt eine präzise, effiziente und einfache Methode zur zeitlichen Analyse des Schlittschuhlaufens im Eishockey mittels einem am Schlittschuh befestigten Beschleunigungssensor. Die Validierung des neuartigen Ansatzes erfolgt anhand synchroner Messungen des plantaren Fußdrucks. Der mittlere Unterschied zwischen den beiden Erfassungsmethoden liegt sowohl für die Standphasendauer als auch der Gangzyklusdauer unter einer Millisekunde. Studie II zeigt das Potenzial von Beschleunigungssensoren zur Technik- und Leistungsanalyse des Schlittschuhlaufens im Eishockey. Die Ergebnisse zeigen für die Standphasendauer und Schrittintensität sowohl Unterschiede zwischen beschleunigenden Schritten und Schritten bei konstanter Geschwindigkeit als auch zwischen Teilnehmern unterschiedlichen Leistungsniveaus. Eine Korrelationsanalyse offenbart, insbesondere für die Schrittintensität, einen starken Zusammenhang mit der sportlichen Leistung des Schlittschuhlaufens im Sinne einer verkürzten Sprintzeit. Studie III präsentiert ein tragbares System zur Erfassung von Belastungen im Kniegelenk bei verschiedenen sportlichen Bewegungen auf Basis zweier mobiler Sensoren. Im Speziellen werden unterschiedliche lineare Bewegungen, Richtungswechsel und Sprünge betrachtet. Die mittels künstlich neuronalem Netz ermittelten dreidimensionalen Kniegelenkskräfte zeigen, mit Ausnahme der mediolateralen Kraftkomponente, für die meisten analysierten Bewegungen eine gute Übereinstimmung mit invers-dynamisch berechneten Referenzdaten. Die abschließende Studie IV stellt eine Erweiterung des in Studie III entwickelten tragbaren Systems zur Ermittlung von Belastungen im Kniegelenk dar. Die ambulante Beurteilung der Gelenkbelastung bei Kniearthrose steht hierbei im Fokus. Die entwickelten Prädiktionsmodelle zeigen für das Knieflexionsmoment eine gute Übereinstimmung mit invers-dynamisch berechneten Referenzdaten für den Großteil der analysierten Bewegungen. Demgegenüber ist bei der Ermittlung des Knieadduktionsmoments mittels künstlichen neuronalen Netzen Vorsicht geboten. Je nach Bewegung, kommt es zu einer schwachen bis starken Übereinstimmung zwischen der mittels Prädiktionsmodell bestimmten Belastung und dem Referenzwert. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse von Studie I und Studie II zur sportartspezifischen Leistungsanalyse im Eishockey bei. Zukünftig können sowohl die Trainingsqualität als auch die gezielte Verbesserung sportlicher Leistung durch den Einsatz von am Körper getragener Sensoren in hohem Maße profitieren. Die methodischen Neuerungen und Erkenntnisse aus Studie III und Studie IV ebnen den Weg für die Entwicklung neuartiger Technologien im Gesundheitsbereich. Mit Blick in die Zukunft können mobile Sensoren zur intelligenten Analyse menschlicher Bewegungen sinnvoll eingesetzt werden. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass die mobile Bewegungsanalyse zur Erleichterung der sportartspezifischen Leistungsdiagnostik unter Feldbedingungen beiträgt. Zudem zeigt die Arbeit, dass die mobile Bewegungsanalyse einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Gesundheitsdiagnostik und Rehabilitation nach akuten Verletzungen oder bei chronischen muskuloskelettalen Erkrankungen leistet

Wearable inertial sensors for human movement analysis

Introduction: The present review aims to provide an overview of the most common uses of wearable inertial sensors in the field of clinical human movement analysis.Areas covered: Six main areas of application are analysed: gait analysis, stabilometry, instrumented clinical tests, upper body mobility assessment, daily-life activity monitoring and tremor assessment. Each area is analyzed both from a methodological and applicative point of view. The focus on the methodological approaches is meant to provide an idea of the computational complexity behind a variable/parameter/index of interest so that the reader is aware of the reliability of the approach. The focus on the application is meant to provide a practical guide for advising clinicians on how inertial sensors can help them in their clinical practice.Expert commentary: Less expensive and more easy to use than other systems used in human movement analysis, wearable sensors have evolved to the point that they can be considered ready for being part of routine clinical routine

Human Gait Model Development for Objective Analysis of Pre/Post Gait Characteristics Following Lumbar Spine Surgery

Although multiple advanced tools and methods are available for gait analysis, the gait and its related disorders are usually assessed by visual inspection in the clinical environment. This thesis aims to introduce a gait analysis system that provides an objective method for gait evaluation in clinics and overcomes the limitations of the current gait analysis systems. Early identification of foot drop, a common gait disorder, would become possible using the proposed methodology

The Use of Triaxial Accelerometry for Measuring Stride Parameters and Vertical Stiffness in Team-Sport Athletes

Inertial Measurement Units (IMUs) provide a means for analysing running gait in the field without the need for extensive lab-based equipment. These sensors have been validated for use on the lower limbs and lumbosacral region but have not been extensively validated at other body regions. In team-sport, athletes commonly wear global navigation satellite system (GNSS) units on the thoracic spine to quantify distance and speed. These GNSS units also contain IMUs which may allow the measurement of running gait characteristics, such as contact time, step length and vertical stiffness (Kvert), that GNSS is unable to capture. These data provide more granular information on running activity that can be used to provide insight into the mechanistic changes in movement strategy, such as those occurring in the presence of fatigue, that may precede, or occur independently of any modification in distance and speed. Given IMUs are already available in GNSS units, the thoracic spine site is potentially attractive for practitioners as it provides the possibility of measuring distance and speed from GNSS and running gait from inertial sensors to provide a comprehensive analysis of running activity all from the one device. However, the validity and reliability of thoracic-mounted IMUs to derive a range of gait characteristics across multiple running speeds has not been thoroughly explored. Therefore, the overarching aim of this thesis was to determine the validity and reliability of running gait characteristics obtained from IMUs worn on the thoracic spine and assess their effectiveness for the assessment of fatigue-induced changes. study 1 demonstrated that IMU placement site is not a limiting factor to the measurement of running gait, which can in fact be validly and reliably measured from multiple locations (foot, tibia and lumbar spine). The results from Study 2 confirm this as it was shown thoracic-worn IMUs, including those contained in GNSS units, are accurate for event detection (a previously unreported finding) and are valid and reliable for deriving a range of spatiotemporal gait characteristics, vGRFpeak and Kvert at different running speeds. Practitioners do not need to use additional sensors at other sites to analyse running gait but can instead take advantage of commonly worn sensors contained in GNSS units. These are also sensitive to detecting fatigue, as demonstrated in Study 3 which showed reductions in Kvert during sprinting. This result is consistent with the fatigue-induced changes of Kvert seen in other lab-based studies, and it provides evidence of the changes that occur in running at a mechanistic level that have so far not been quantifiable from GNSS-embedded IMUs. This allows for potential practical applications such as monitoring changes in Kvert and other metrics within training and matches which may reduce the requirement of additional testing protocols (e.g., CMJ) to assess fatigue. In addition, running gait characteristics, such as vGRFpeak, may be useful for informing the delivery of lower-limb injury rehabilitation or to assess changes in movement (running) strategy following concussion. Overall, the findings presented in this work support the use of IMUs contained within GNSS units for the analysis of running gait in the field