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

How does functionality proceed in ACL reconstructed subjects? Proceeding of functional performance from pre- to six months post-ACL reconstruction

<div><p>This is the first study examining functionality of subjects with anterior cruciate ligament (ACL) tears and a subsequent reconstruction comprehensively by multiple test sessions from pre- to six months post-reconstruction. The purpose was to evaluate if a generally applied rehabilitation program restores functionality to levels of healthy controls. Subjects with unilateral tears of the ACL were compared to matched healthy controls throughout the rehabilitation. 20 recreational athletes were tested: T₁ (preoperative), 6 weeks after tear; T₂, 6 weeks, T₃, 3 months, T₄, 6 months post-reconstruction. At all test sessions, subjects self-evaluated their activity level with the Tegner activity score and their knee state with the Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score. Passive range of motion during knee flexion and extension and leg circumference were measured as functional clinical tests. Bilateral countermovement jumps, one-leg jumps for distance and isometric force tests in knee flexion and extension with 90° and 110° knee angle were conducted as functional performance tests. For determination of functionality, leg symmetry indices (LSIs) were calculated by dividing values of the injured by the uninjured leg. In the ACL group most LSIs decreased from T₁ to T₂, and increased from T₂ and T₃ to T₄. LSIs of ACL subjects remained lower than LSIs of healthy controls at 6 months post-reconstruction in nearly all parameters. Self-evaluation of ACL subjects showed, additionally, that activity level was lower than the pre-injury level at 6 months post-reconstruction. Low LSIs and low self-evaluation indicate that knee joint functionality is not completely restored at 6 months post-reconstruction. The study shows that multiple comprehensive testing throughout the rehabilitation gives detailed images of the functional state. Therefore, the functional state of ACL reconstructed individuals should be evaluated comprehensively and continuously throughout the rehabilitation to detect persisting deficiencies detailed and adapt rehabilitation programs individually depending on the functionality.</p></div

Results of the Tegner activity score.

<p>Mean activity level and 95% confidence intervals of the ACL subjects (T₁–T₄) and the control subjects, assessed with the Tegner activity score [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0178430#pone.0178430.ref037" target="_blank">37</a>]. Test sessions with significant (<i>P</i>≤0.05) differences are marked with an asterisk (*).</p

Study design.

<p>Showing the four conducted test sessions with time periods (Means and standard deviations in days [d]) between the respective test sessions.</p

Mean results and standard deviations of the Knee Injury and Osteoarthritis Outcome scores’ subcategories.

<p>Mean results and standard deviations of the Knee Injury and Osteoarthritis Outcome scores’ subcategories.</p

Leg symmetry indices (LSIs) of acceleration impulses during take-off and LSIs of deceleration impulses during landing of the counter movement jumps (CMJs).

<p>Mean LSIs and 95% confidence intervals of the acceleration and deceleration impulses of the CMJs. The acceleration impulses were measured during take-off and the deceleration impulses during landing of the ACL subjects (T₁-T₄) and the control subjects (CG). Test sessions with significant (<i>P</i>≤0.05) differences are marked with an asterisk (*).</p

Results of the leg symmetry indices (LSIs) of leg circumference measurements.

<p>Mean LSIs and 95% confidence intervals of leg circumference measurements of the ACL subjects (T₁-T₄) and the control subjects. All subjects stood upright during the measurements. The circumference of the leg was measured at the joint line (JL), and 5cm (S5) and 15cm (S15) superior and 5cm inferior (I5) to the joint line [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0178430#pone.0178430.ref038" target="_blank">38</a>]. Test sessions with significant (<i>P</i>≤0.05) differences are marked with an asterisk (*).</p

Leg symmetry indices (LSIs) of the acceleration impulses during take-off of the one leg jumps (OLJs).

<p>Mean LSIs and confidence intervals of the acceleration impulses during take-off of the OLJs of the ACL subjects (T₁-T₄) and the control subjects (CG). Test sessions with significant (<i>P</i>≤0.05) differences are marked with an asterisk (*).</p

Results counter movement jumps (CMJs).

<p>Mean jumping heights and 95% confidence intervals of the ACL subjects (T₁-T₄) and control subjects (CG) of the CMJs. Test sessions with significant (<i>P</i>≤0.05) differences are marked with an asterisk (*).</p

Sample characteristics.

<p>Means and standard deviations.</p