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

Float like a butterfly : comparison between off and on-ice torso kinematics during the butterfly stance in ice hockey goalkeepers

In ice hockey, the butterfly style/stance is a technique distinguished by the goalkeepers (goalie) dropping to their knees to block attempts to score. Although this goalie style has been around for many years, comparisons between on and off-ice attire has not been undertaken. Therefore, this preliminary study compared differences in torso acceleration and energy expenditure by way of the Metabolic Equivalent of Task (MET) during off-ice and on-ice butterfly stances/saves. Seven participants each performed 8 on-ice butterfly saves/stances whilst wearing full hockey attire followed by 8 off-ice butterfly stances without wearing full hockey attire whilst torso acceleration was collected. The off-ice movement significantly increased vertical torso acceleration (p 0.90) with increased MET, compared to on-ice motion. Despite no significant difference in anteroposterior and mediolateral torso kinematics, vector magnitudes were significantly greater (p 0.90) when the stance was performed off-ice. The increased vertical acceleration observed when goalies performed the movement off-ice could be due to a failure to maintain adequate posture without the support of the external load. The results of this study may help inform off-ice training interventions for ice hockey goalkeeping. © 2022 by the authors

Sport Biomechanics Applications Using Inertial, Force, and EMG Sensors: A Literature Overview

In the last few decades, a number of technological developments have advanced the spread of wearable sensors for the assessment of human motion. These sensors have been also developed to assess athletes’ performance, providing useful guidelines for coaching, as well as for injury prevention. The data from these sensors provides key performance outcomes as well as more detailed kinematic, kinetic, and electromyographic data that provides insight into how the performance was obtained. From this perspective, inertial sensors, force sensors, and electromyography appear to be the most appropriate wearable sensors to use. Several studies were conducted to verify the feasibility of using wearable sensors for sport applications by using both commercially available and customized sensors. The present study seeks to provide an overview of sport biomechanics applications found from recent literature using wearable sensors, highlighting some information related to the used sensors and analysis methods. From the literature review results, it appears that inertial sensors are the most widespread sensors for assessing athletes’ performance; however, there still exist applications for force sensors and electromyography in this context. The main sport assessed in the studies was running, even though the range of sports examined was quite high. The provided overview can be useful for researchers, athletes, and coaches to understand the technologies currently available for sport performance assessment

Association Between Physical Performance Tests and External Load During Scrimmages in Highly Trained Youth Ice Hockey Players

Author's accepted manuscriptAccepted author manuscript version reprinted, by permission, from International Journal of Sports Physiology and Performance (IJSPP), 2023, 18(1): 47-54, https://doi.org/10.1123/ijspp.2022-0225. © Human Kinetics, Inc.Purpose: To investigate the relationship between physical performance tests and on-ice external load from simulated games (scrimmages) in ice hockey. Methods: A total of 14 players completed a physical performance test battery consisting of 30-m sprint test—run and 30-m sprint test—skate (including 10-m split times and maximum speed), countermovement jump, standing long jump, bench press, pull-ups, and trap bar deadlift and participated in 4 scrimmages. External load variables from scrimmages included total distance; peak speed; slow ( 24.0 km/h) speed skating distance; number of sprints; PlayerLoad™; number of high-intensity events (> 2.5 m/s); accelerations; decelerations; and changes of direction. Bayesian pairwise correlation analyses were performed to assess the relationship between physical performance tests and external load performance variables. Results: The results showed strong evidence (Bayes factor > 10) for associations between pull-ups and high-intensity events (τ = .61) and between maximum speed skate and peak speed (τ = .55). There was moderate evidence (Bayes factor >3 to <10) for 6 associations: both maximum speed skate (τ = .44) and countermovement jump (τ = .44) with sprint speed skating distance, countermovement jump with number of sprints (τ = .46), pull-ups with changes of direction (τ = .50), trap bar with peak speed (τ = .45), and body mass with total distance (τ = .49). Conclusion: This study found physical performance tests to be associated with some of the external load variables from scrimmages. Nevertheless, the majority of correlations did not display meaningful associations, possibly being influenced by the selection of physical performance tests.acceptedVersio

Quantifying changes in accelerations and heart rate indicative of fatigue during condensed competitions in elite youth ice hockey players

Thirty-three elite youth ice hockey players wore Bioharness-3 (Zephyr, MD) sensors to compare accelerations (ACC) and heart rate (HR) over four games (G1–G4) in three days, in order to establish changes in cardiovascular stress and physical exertion associated with fatigue. Peak ACC and HR across multiple time frames were quantified and analyzed in conjunction to determine exertion profiles for each game. MANOVAs for peak ACC and HR, at each time point across G1–G4 and multiple games per day (M1, M2) for magnitude and time as main effects were performed. HR beats per minute decreased between G1 and G3/G4 in time segments (3–20 minutes) although ACC were not different. Peak ACC were lower for M2 vs M1 at 60, 90, 120 and 180 seconds. Results concluded the decline in HR, but not ACC, across games indicates a cardiovascular adaptation. The reduced ACC between games M1 and M2 indicate fatigue

Simulated Game-Based Ice Hockey Match Design (Scrimmage) Elicits Greater Intensity in External Load Parameters Compared With Official Matches

Objective: A limited number of studies have explored the external load experienced in indoor sports such as ice hockey, and few the link between training and match performance. As a paucity exists within this topic, this study explored whether a simulated match design (i.e., scrimmage) could be representative of official match demands and elicit similar external loads as in official matches in a group of elite youth male ice hockey players. Methods: A total of 26 players were monitored during eight official and four simulation matches using a Local Positioning System. Total distance, max velocity, slow (0–10.9 km/h), moderate (11–16.9 km/h), high (17.0–23.9 km/h), and sprint (>24 km/h) speed skating distance, distance per min, PlayerLoadTM, PlayerLoadTM per min, high-intensity events (HIEs) (>2.5 m/s−2), acceleration (ACCs), decelerations (DECs), and change of directions (CODs) were extracted from the tracking devices. A two-level regression analysis was conducted to compare the difference between match types when controlling for time on ice, match day, and position. Results: Between match-type results showed a credible difference in all variables except max velocity and ACCs. Distance per min was 27.3% higher during simulation matches and was explained by a 21.3, 24.1, and 14.8% higher distance in sprint-, high-, and moderate speed skating distance, while slow speed-skating distance was 49.2% lower and total distance only trivially different from official to simulation matches. Total PlayerLoadTM was 11.2% lower, while PlayerLoadTM per min was 8.5% higher during simulation matches. HIEs, CODs, and DECs were 10.0, 11.9, and 22.3% higher during simulation matches. Conclusion: The simulated match design is related to official match demands with comparable match-time, playing time, number of shifts, and shift duration. However, simulation matches provoked a higher external load output compared with official matches, possibly explained by a more continuous movement design. A game-based simulation match design can therefore be utilized when match-related actions at high intensity are warranted.publishedVersio