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Real-time forecasting of exercise-induced fatigue from wearable sensors

计算机科学 可穿戴计算机 人工智能 机器学习 蹲下 变压器 分类器(UML) 可穿戴技术 工程类 物理医学与康复 电压 医学 电气工程 嵌入式系统
作者
Yanran Jiang,Peter Malliaras,Bernard Chen,Dana Kulić
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:148: 105905-105905 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2022.105905
摘要

Although a number of studies attempt to classify human fatigue, most models can only identify fatigue after fatigue has already occurred. In this paper, we propose a novel time series approach to forecasting wearable sensor data and associated fatigue progression during exercise. The proposed framework consists of spatio-temporal attention-based Transformer with an auxiliary critic and a fatigue classifier. The Transformer network is used to analyze the person-independent pattern underlying the past kinematic sequence obtained from wearable sensors and generate short term predictions of the human motion. Adversarial training is employed to regularize the Transformer and improve the time series forecasting performance. A fatigue classifier is used to estimate person-independent fatigue levels based on the forecasted wearable sensor data from the Transformer model. The proposed approach is validated with simulated and real squat datasets which were collected from young healthy participants. The proposed network can accurately forecast a time horizon of up to 80 timesteps for motion signal forecasting and fatigue classification. In terms of fatigue prediction, an accuracy of 83% and a Pearson correlation coefficient of 0.92 were achieved on forecasted motion data with unseen participant data. The experimental results show that our model can predict fatigue progression and outperforms other state-of-the-art techniques, achieving 95% correlation compared to 83% for the best performing baseline method. Successfully predicting fatigue progression can help a patient or athlete monitor and adjust their exercise session to prevent overexertion and fatigue-induced injury.
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