318 research outputs found

    On the choice of multiscale entropy algorithm for quantification of complexity in gait data

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    The present study aimed at identifying a suitable multiscale entropy (MSE) algorithm for assessment of complexity in a stride-to-stride time interval time series. Five different algorithms were included (the original MSE, refine composite multiscale entropy (RCMSE), multiscale fuzzy entropy, generalized multiscale entropy and intrinsic mode entropy) and applied to twenty iterations of white noise, pink noise, or a sine wave with added white noise. Based on their ability to differentiate the level of complexity in the three different generated signal types, and their sensitivity and parameter consistency, MSE and RCMSE were deemed most appropriate. These two algorithms were applied to stride-to-stride time interval time series recorded from fourteen healthy subjects during one hour of overground and treadmill walking. In general, acceptable sensitivity and good parameter consistency were observed for both algorithms; however, they were not able to differentiate the complexity of the stride-to-stride time interval time series between the two walking conditions. Thus, the present study recommends the use of either MSE or RCMSE for quantification of complexity in stride-to-stride time interval time series

    A Nonlinear Analysis Software Toolkit for Biomechanical Data

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    In this paper, we present a nonlinear analysis software toolkit, which can help in biomechanical gait data analysis by implementing various nonlinear statistical analysis algorithms. The toolkit is proposed to tackle the need for an easy-to-use and friendly analyzer for gait data where algorithms seem complex to implement in software and execute. With the availability of our toolkit, people without programming knowledge can run the analysis to receive human gait data analysis results. Our toolkit includes the implementation of several nonlinear analysis algorithms, while it is also possible for users with programming experience to expand its scope by implementing and adding more algorithms to the toolkit. Currently, the toolkit supports MatLab bindings while being developed in Python. The toolkit can seamlessly run as a background process to analyze hundreds of different gait data and produce analysis outcomes and figures that illustrate these results

    Multiscale Entropy Algorithms to Analyze Complexity and Variability of Trunk Accelerations Time Series in Subjects with Parkinson’s Disease

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    The aim of this study was to assess the ability of multiscale sample entropy (MSE), refined composite multiscale entropy (RCMSE), and complexity index (CI) to characterize gait complexity through trunk acceleration patterns in subjects with Parkinson's disease (swPD) and healthy subjects, regardless of age or gait speed. The trunk acceleration patterns of 51 swPD and 50 healthy subjects (HS) were acquired using a lumbar-mounted magneto-inertial measurement unit during their walking. MSE, RCMSE, and CI were calculated on 2000 data points, using scale factors (t) 1-6. Differences between swPD and HS were calculated at each t, and the area under the receiver operating characteristics, optimal cutoff points, post-test probabilities, and diagnostic odds ratios were calculated. MSE, RCMSE, and CIs showed to differentiate swPD from HS. MSE in the anteroposterior direction at t4 and t5, and MSE in the ML direction at t4 showed to characterize the gait disorders of swPD with the best trade-off between positive and negative posttest probabilities and correlated with the motor disability, pelvic kinematics, and stance phase. Using a time series of 2000 data points, a scale factor of 4 or 5 in the MSE procedure can yield the best trade-off in terms of post-test probabilities when compared to other scale factors for detecting gait variability and complexity in swPD

    Estimating fall risk with inertial sensors using gait stability measures that do not require step detection

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    Falls have major consequences both at societal (health-care and economy) and individual (physical and psychological) levels. Questionnaires to assess fall risk are commonly used in the clinic, but their predictive value is limited. Objective methods, suitable for clinical application, are hence needed to obtain a quantitative assessment of individual fall risk. Falls in older adults often occur during walking and trunk position is known to play a critical role in balance control. Therefore, analysis of trunk kinematics during gait could present a viable approach to the development of such methods. In this study, nonlinear measures such as harmonic ratio (HR), index of harmonicity (IH), multiscale entropy (MSE) and recurrence quantification analysis (RQA) of trunk accelerations were calculated. These measures are not dependent on step detection, a potentially critical source of error. The aim of the present study was to investigate the association between the aforementioned measures and fall history in a large sample of subjects (42 fallers and 89 non-fallers) aged 50 or older. Univariate associations with fall history were found for MSE and RQA parameters in the AP direction; the best classification results were obtained for MSE with scale factor τ = 2 and for maximum length of diagonals in RQA (72.5% and 71% correct classifications, respectively). MSE and RQA were found to be positively associated with fall history and could hence represent useful tools in the identification of subjects for fall prevention programs. © 2013 Elsevier B.V

    Gait analysis under the lens of statistical physics

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    Human gait; Irreversibility; Multi-fractal analysisMarcha humana; Irreversibilidad; Análisis multifractalMarxa humana; Irreversibilitat; Anàlisi multifractalHuman gait is a fundamental activity, essential for the survival of the individual, and an emergent property of the interactions between complex physical and cognitive processes. Gait is altered in many situations, due both to external constraints, as e.g. paced walk, and to physical and neurological pathologies. Its study is therefore important as a way of improving the quality of life of patients, but also as a door to understanding the inner working of the human nervous system. In this review we explore how four statistical physics concepts have been used to characterise normal and pathological gait: entropy, maximum Lyapunov exponent, multi-fractal analysis and irreversibility. Beyond some basic definitions, we present the main results that have been obtained in this field, as well as a discussion of the main limitations researchers have dealt and will have to deal with. We finally conclude with some biomedical considerations and avenues for further development.This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 851255). M.Z. and F.O. acknowledges the Spanish State Research Agency through Grant MDM-2017–0711 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033. Authors acknowledge support from the Escuela Universitaria de Fisioterapia de la ONCE

    Comparing postural stability entropy analyses to differentiate fallers and non-fallers

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    The health and financial cost of falls has spurred research to differentiate the characteristics of fallers and non-fallers. Postural stability has received much of the attention with recent studies exploring various measures of entropy. This study compared the discriminatory ability of several entropy methods at differentiating two paradigms in the center-of-pressure of elderly individuals: (1) eyes open (EO) vs. eyes closed (EC) and (2) fallers (F) vs. non-fallers (NF). Methods were compared using the area under the curve (AUC) of the receiver-operating characteristic curves developed from logistic regression models. Overall, multiscale entropy (MSE) and composite multiscale entropy (CompMSE) performed the best with AUCs of 0.71 for EO/EC and 0.77 for F/NF. When methods were combined together to maximize the AUC, the entropy classifier had an AUC of for 0.91 the F/NF comparison. These results suggest researchers and clinicians attempting to create clinical tests to identify fallers should consider a combination of every entropy method when creating a classifying test. Additionally, MSE and CompMSE classifiers using polar coordinate data outperformed rectangular coordinate data, encouraging more research into the most appropriate time series for postural stability entropy analysis

    Human Gait Analysis using Spatiotemporal Data Obtained from Gait Videos

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    Mit der Entwicklung von Deep-Learning-Techniken sind Deep-acNN-basierte Methoden zum Standard für Bildverarbeitungsaufgaben geworden, wie z. B. die Verfolgung menschlicher Bewegungen und Posenschätzung, die Erkennung menschlicher Aktivitäten und die Erkennung von Gesichtern. Deep-Learning-Techniken haben den Entwurf, die Implementierung und den Einsatz komplexer und vielfältiger Anwendungen verbessert, die nun in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich der Biomedizintechnik, eingesetzt werden. Die Anwendung von Computer-Vision-Techniken auf die medizinische Bild- und Videoanalyse hat zu bemerkenswerten Ergebnissen bei der Erkennung von Ereignissen geführt. Die eingebaute Fähigkeit von convolutional neural network (CNN), Merkmale aus komplexen medizinischen Bildern zu extrahieren, hat in Verbindung mit der Fähigkeit von long short term memory network (LSTM), die zeitlichen Informationen zwischen Ereignissen zu erhalten, viele neue Horizonte für die medizinische Forschung geschaffen. Der Gang ist einer der kritischen physiologischen Bereiche, der viele Störungen im Zusammenhang mit Alterung und Neurodegeneration widerspiegeln kann. Eine umfassende und genaue Ganganalyse kann Einblicke in die physiologischen Bedingungen des Menschen geben. Bestehende Ganganalyseverfahren erfordern eine spezielle Umgebung, komplexe medizinische Geräte und geschultes Personal für die Erfassung der Gangdaten. Im Falle von tragbaren Systemen kann ein solches System die kognitiven Fähigkeiten beeinträchtigen und für die Patienten unangenehm sein. Außerdem wurde berichtet, dass die Patienten in der Regel versuchen, während des Labortests bessere Leistungen zu erbringen, was möglicherweise nicht ihrem tatsächlichen Gang entspricht. Trotz technologischer Fortschritte stoßen wir bei der Messung des menschlichen Gehens in klinischen und Laborumgebungen nach wie vor an Grenzen. Der Einsatz aktueller Ganganalyseverfahren ist nach wie vor teuer und zeitaufwändig und erschwert den Zugang zu Spezialgeräten und Fachwissen. Daher ist es zwingend erforderlich, über Methoden zu verfügen, die langfristige Daten über den Gesundheitszustand des Patienten liefern, ohne doppelte kognitive Aufgaben oder Unannehmlichkeiten bei der Verwendung tragbarer Sensoren. In dieser Arbeit wird daher eine einfache, leicht zu implementierende und kostengünstige Methode zur Erfassung von Gangdaten vorgeschlagen. Diese Methode basiert auf der Aufnahme von Gehvideos mit einer Smartphone-Kamera in einer häuslichen Umgebung unter freien Bedingungen. Deep neural network (NN) verarbeitet dann diese Videos, um die Gangereignisse zu extrahieren. Die erkannten Ereignisse werden dann weiter verwendet, um verschiedene räumlich-zeitliche Parameter des Gangs zu quantifizieren, die für jedes Ganganalysesystem wichtig sind. In dieser Arbeit wurden Gangvideos verwendet, die mit einer Smartphone-Kamera mit geringer Auflösung außerhalb der Laborumgebung aufgenommen wurden. Viele Deep- Learning-basierte NNs wurden implementiert, um die grundlegenden Gangereignisse wie die Fußposition in Bezug auf den Boden aus diesen Videos zu erkennen. In der ersten Studie wurde die Architektur von AlexNet verwendet, um das Modell anhand von Gehvideos und öffentlich verfügbaren Datensätzen von Grund auf zu trainieren. Mit diesem Modell wurde eine Gesamtgenauigkeit von 74% erreicht. Im nächsten Schritt wurde jedoch die LSTM-Schicht in dieselbe Architektur integriert. Die eingebaute Fähigkeit von LSTM in Bezug auf die zeitliche Information führte zu einer verbesserten Vorhersage der Etiketten für die Fußposition, und es wurde eine Genauigkeit von 91% erreicht. Allerdings gibt es Schwierigkeiten bei der Vorhersage der richtigen Bezeichnungen in der letzten Phase des Schwungs und der Standphase jedes Fußes. Im nächsten Schritt wird das Transfer-Lernen eingesetzt, um die Vorteile von bereits trainierten tiefen NNs zu nutzen, indem vortrainierte Gewichte verwendet werden. Zwei bekannte Modelle, inceptionresnetv2 (IRNV-2) und densenet201 (DN-201), wurden mit ihren gelernten Gewichten für das erneute Training des NN auf neuen Daten verwendet. Das auf Transfer-Lernen basierende vortrainierte NN verbesserte die Vorhersage von Kennzeichnungen für verschiedene Fußpositionen. Es reduzierte insbesondere die Schwankungen in den Vorhersagen in der letzten Phase des Gangschwungs und der Standphase. Bei der Vorhersage der Klassenbezeichnungen der Testdaten wurde eine Genauigkeit von 94% erreicht. Da die Abweichung bei der Vorhersage des wahren Labels hauptsächlich ein Bild betrug, konnte sie bei einer Bildrate von 30 Bildern pro Sekunde ignoriert werden. Die vorhergesagten Markierungen wurden verwendet, um verschiedene räumlich-zeitliche Parameter des Gangs zu extrahieren, die für jedes Ganganalysesystem entscheidend sind. Insgesamt wurden 12 Gangparameter quantifiziert und mit der durch Beobachtungsmethoden gewonnenen Grundwahrheit verglichen. Die NN-basierten räumlich-zeitlichen Parameter zeigten eine hohe Korrelation mit der Grundwahrheit, und in einigen Fällen wurde eine sehr hohe Korrelation erzielt. Die Ergebnisse belegen die Nützlichkeit der vorgeschlagenen Methode. DerWert des Parameters über die Zeit ergab eine Zeitreihe, eine langfristige Darstellung des Ganges. Diese Zeitreihe konnte mit verschiedenen mathematischen Methoden weiter analysiert werden. Als dritter Beitrag in dieser Dissertation wurden Verbesserungen an den bestehenden mathematischen Methoden der Zeitreihenanalyse von zeitlichen Gangdaten vorgeschlagen. Zu diesem Zweck werden zwei Verfeinerungen bestehender entropiebasierter Methoden zur Analyse von Schrittintervall-Zeitreihen vorgeschlagen. Diese Verfeinerungen wurden an Schrittintervall-Zeitseriendaten von normalen und neurodegenerativen Erkrankungen validiert, die aus der öffentlich zugänglichen Datenbank PhysioNet heruntergeladen wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die von uns vorgeschlagene Methode eine klare Trennung zwischen gesunden und kranken Gruppen ermöglicht. In Zukunft könnten fortschrittliche medizinische Unterstützungssysteme, die künstliche Intelligenz nutzen und von den hier vorgestellten Methoden abgeleitet sind, Ärzte bei der Diagnose und langfristigen Überwachung des Gangs von Patienten unterstützen und so die klinische Arbeitsbelastung verringern und die Patientensicherheit verbessern

    The Appropriate Use of Approximate Entropy and Sample Entropy with Short Data Sets

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    Approximate entropy (ApEn) and sample entropy (SampEn) are mathematical algorithms created to measure the repeatability or predictability within a time series. Both algorithms are extremely sensitive to their input parameters: m (length of the data segment being compared), r (similarity criterion), and N (length of data). There is no established consensus on parameter selection in short data sets, especially for biological data. Therefore, the purpose of this research was to examine the robustness of these two entropy algorithms by exploring the effect of changing parameter values on short data sets. Data with known theoretical entropy qualities as well as experimental data from both healthy young and older adults was utilized. Our results demonstrate that both ApEn and SampEn are extremely sensitive to parameter choices, especially for very short data sets, N ≤ 200. We suggest using N larger than 200, an m of 2 and examine several r values before selecting your parameters. Extreme caution should be used when choosing parameters for experimental studies with both algorithms. Based on our current findings, it appears that SampEn is more reliable for short data sets. SampEn was less sensitive to changes in data length and demonstrated fewer problems with relative consistency

    Ann Biomed Eng

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    The health and financial cost of falls has spurred research to differentiate the characteristics of fallers and non-fallers. Postural stability has received much of the attention with recent studies exploring various measures of entropy. This study compared the discriminatory ability of several entropy methods at differentiating two paradigms in the center-of-pressure of elderly individuals: (1) eyes open (EO) vs. eyes closed (EC) and (2) fallers (F) vs. non-fallers (NF). Methods were compared using the area under the curve (AUC) of the receiver-operating characteristic curves developed from logistic regression models. Overall, multiscale entropy (MSE) and composite multiscale entropy (CompMSE) performed the best with AUCs of 0.71 for EO/EC and 0.77 for F/NF. When methods were combined together to maximize the AUC, the entropy classifier had an AUC of for 0.91 the F/NF comparison. These results suggest researchers and clinicians attempting to create clinical tests to identify fallers should consider a combination of every entropy method when creating a classifying test. Additionally, MSE and CompMSE classifiers using polar coordinate data outperformed rectangular coordinate data, encouraging more research into the most appropriate time series for postural stability entropy analysis.L30 AG022963/AG/NIA NIH HHS/United StatesR01 OH009222/OH/NIOSH CDC HHS/United States2017-05-01T00:00:00Z26464267PMC483370
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