IMU and Smartphone Camera Fusion for Knee Adduction and Knee Flexion Moment Estimation During Walking

惯性测量装置 可穿戴计算机 人工智能 计量单位 传感器融合 加速度计 计算机科学 计算机视觉 算法 数学 物理 嵌入式系统 量子力学 操作系统
作者
Tian Tan,Dianxin Wang,Peter B. Shull,Eni Halilaj
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19 (2): 1445-1455 被引量:14
标识
DOI:10.1109/tii.2022.3189648
摘要

Wearable sensing and computer vision could move biomechanics from specialized laboratories to natural environments, but better algorithms are needed to extract meaningful outcomes from these emerging modalities. In this article, we present new models for estimating biomechanical outcomes—the knee adduction moment (KAM) and knee flexion moment (KFM)—from fusion of smartphone cameras and wearable inertial measurement units (IMUs) among young healthy nonobese males. A deep learning model was developed to extract features, fuse multimodal data, and estimate KAM and KFM. Walking data from 17 subjects were recorded with eight IMUs and two smartphone cameras. The model that used IMU-camera fusion was significantly more accurate than those using IMUs or cameras alone. The root-mean-square errors of the fusion model were 0.49 $\%\;\mathbf {BW}\cdot \mathbf {BH}$ for KAM and 0.66 $\%\;\mathbf {BW}\cdot \mathbf {BH}$ for KFM estimation, which are lower than clinically significant thresholds. With larger and more diverse data, this model could enable assessment of knee moments in clinics and homes.
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