Novel Deep Learning Model to Estimate Knee Flexion and Adduction Moments With Wearable IMUs During Treadmill and Overground Walking

可穿戴计算机 物理医学与康复 单调的工作 膝关节屈曲 计算机科学 生物力学 步态分析 医学 步态 物理疗法 人工智能 解剖 嵌入式系统
作者
Alon Sabaty,Adi Fishman,Shani Batcir,Tian Tan,Peter Bradley Shull,Kfir Yehuda Levy,Arielle G. Fischer
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:30 (1): 173-183 被引量:2
标识
DOI:10.1109/jbhi.2025.3584389
摘要

A major issue after total knee replacement (TKR) surgery is asymmetric gait kinetics, which increases knee loads on the non-operated knee. This imbalance accelerates osteoarthritis (OA) progression, often leading to a second contralateral TKR. There is a clear need for an advanced wearable system with multiple sensors to accurately estimate gait kinetics in natural environments. This study aims to develop a machine learning framework that exclusively uses wearable inertial measurement units (IMUs) during overground and treadmill walking to estimate knee flexion moment (KFM) and knee adduction moment (KAM), significant biomechanical factors linked to OA. We introduce a novel deep learning model that combines a Long Short-Term Memory (LSTM)-based Autoencoder and Variational Gaussian Process (VGP) to estimate the mean and uncertainty region of the KAM and KFM. Seventeen healthy participants performed treadmill walking trials, while a separate group of seventeen healthy participants performed overground walking trials for model training and validation. Results demonstrated Root Mean Square Errors (RMSE) of 0.49%BW$\cdot$BH (body weight × body height) and 0.73%BW$\cdot$BH for KAM and KFM, respectively, during treadmill walking and 0.74%BW$\cdot$BH and 0.49%BW$\cdot$BH for KAM and KFM respectively during overground walking, which is more accurate than existing approaches. The proposed model with wearable IMUs could enable knee health monitoring and rehabilitation for these key biomechanical factors linked to the progression of knee joint pathologies outside of traditional biomechanical laboratories with large, tethered equipment and into clinics, hospitals, and the community.
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