Master of Science

thesisGait analysis is an important tool for diagnosing a wide variety of disorders, with its increasingly accepted benefits culminating in the widespread adoption of motion analysis laboratories. A modern analysis laboratory consists of a multicamera marker tracking system for 3D reconstruction of kinematics and multiple high-fidelity load transducers to determine ground reaction force and enable inverse-dynamics for biomechanics. There is a need for an alternative motion analysis system which does not require a fixed laboratory setting and is lower in cost; freeing the motion capture from the laboratory and reducing the technology costs would enable long-term, home-based, natural monitoring of subjects. This thesis describes two contributions to the end goal of an inexpensive, mobile, insole-based motion analysis laboratory. First is the application of an inertialmeasurement-unit calibration routine and zero-velocity-update algorithm to improve position and orientation tracking. Second is the development, from basic sensor to prototype, of an insole capable of measuring 3 degree-of-freedom ground reaction force. These contributions represent a proof-of-concept that quantitative gait analysis, complete with dynamics, is possible with an insole-based system

A validation of mobile sensing actigraphy devices for generating a biomechanical model of posture

Mobile sensing actigraphy was tested and validated as a modality for computing dynamic posturography. Twelve healthy volunteer subjects (6 male) were administered risperidone and assessed for postural stability using a NeuroCom® Balance Master system and BioSensics® mobile sensors at baseline, 2 hours, 6 hours, and 24 hours post-dose. A strong positive correlation was shown between BioSensics and Balance Master systems in a modified Sensory Organization Task, with Pearson’s r = 0.76, p < 0.001 on composite equilibrium scores. Strong to moderate correlations during the same task showed r = 0.48, p < 0.001 to r = 0.74, p < 0.001. Mobile sensing actigraphy may be a viable alternative to force plate posturography in assessing drug-induced postural instability

Master of Science

thesisAbnormal gait caused by stroke or other pathological reasons can greatly impact the life of an individual. Being able to measure and analyze that gait is often critical for rehabilitation. Motion analysis labs and many current methods of gait analysis are expensive and inaccessible to most individuals. The low cost, wearable, and wireless insole-based gait analysis system in this study provides kinetic measurements of gait by using low cost force sensitive resistors. This thesis describes the design and fabrication of two insoles and their evaluation with 10 control subjects and eight hemiplegic stroke subjects. The first insole used 32 force sensitive resistors and was used to determine the ideal locations of 12 sensors in the second insole. Linear regression was used on training data for each subject testing the second insole to determine ground reaction force, ankle dorsiflexion / plantarflexion moment, knee flexion / extension moment, and knee abduction / adduction moment. Comparison with data collected simultaneously from a clinical motion analysis laboratory demonstrated that the insole results for ground reaction force and ankle moment were highly correlated (all > 0.95) for all subjects, while the two knee moments were less strongly correlated (generally > 0.80). This provides a means of cost effective and efficient healthcare delivery of mobile gait analysis that can be used anywhere from large clinics to an individual's home. The two insoles also provide the means for further testing of force sensitive resistors in different applications

Gait Analysis Using Wearable Sensors

Gait analysis using wearable sensors is an inexpensive, convenient, and efficient manner of providing useful information for multiple health-related applications. As a clinical tool applied in the rehabilitation and diagnosis of medical conditions and sport activities, gait analysis using wearable sensors shows great prospects. The current paper reviews available wearable sensors and ambulatory gait analysis methods based on the various wearable sensors. After an introduction of the gait phases, the principles and features of wearable sensors used in gait analysis are provided. The gait analysis methods based on wearable sensors is divided into gait kinematics, gait kinetics, and electromyography. Studies on the current methods are reviewed, and applications in sports, rehabilitation, and clinical diagnosis are summarized separately. With the development of sensor technology and the analysis method, gait analysis using wearable sensors is expected to play an increasingly important role in clinical applications

Estimation of Spatiotemporal Gait Parameters in Walking on a Photoelectric System: Validation on Healthy Children by Standard Gait Analysis

The use of stereophotogrammetry systems is challenging when targeting children's gait analysis due to the time required and the need to keep physical markers in place. For this reason, marker-less photoelectric systems appear to be a solution for accurate and fast gait analysis in youth. The aim of this study is to validate a photoelectric system and its configurations (LED filter setting) on healthy children, comparing the kinematic gait parameters with those obtained from a three-dimensional stereophotogrammetry system. Twenty-seven healthy children were enrolled. Three LED filter settings for the OptoGait were compared to the BTS P6000. The analysis included the non-parametric 80% limits of agreement and the intraclass correlation coefficient (ICC). Additionally, normalised limits of agreement and bias (NLoAs and Nbias) were compared to the clinical experience of physical therapists (i.e., assuming an error lower than 5% is acceptable). ICCs showed excellent consistency for most of the parameters and filter settings; NLoAs varied between 1.39% and 12.62%. An inverse association between the number of LEDs for filter setting and the bias values was also observed. Observations confirm the validity of the OptoGait system for the evaluation of spatiotemporal gait parameters in children

Smartphone-based Human Fatigue Detection in an Industrial Environment Using Gait Analysis

Human fatigue due to repetitive and physically challenging jobs may result in poor performance and a Work-related Musculoskeletal Disorder (WMSD). Thus, the importance of being able to monitor fatigue to implement preventative interventions cannot be overstated. This study was designed to monitor fatigue through the development of a methodology that objectively classifies an individual’s level of fatigue in the workplace by utilizing the motion sensors embedded in smartphones. An experiment consisting of squatting tasks, primarily involving the lower extremity musculature, was conducted with 24 participants using a smartphone attached to their right shank. Using Borg’s Ratings of Perceived Exertion (RPE) to label gait data, we developed machine learning algorithms to classify each individual’s gait into two (no- vs. strong-fatigue), three (no-, medium-, and strong-fatigue) and four (no-, low-, medium-, and strong-fatigue) levels of fatigue, for which accuracy of 91%, 76%, and 61% were obtained, respectively. The outcomes of this study may facilitate the implementation of a proactive approach supporting the continuous monitoring of a worker’s fatigue level, which may subsequently enhance workers’ performance and reduce the risk of WMSDs

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