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Enregistrement W4283452450 · doi:10.2196/38689

Detection of Low Back Physiotherapy Exercises With Inertial Sensors and Machine Learning: Algorithm Development and Validation

2022· article· en· W4283452450 sur OpenAlexafffundvenue
Abdalrahman Alfakir, Colin Arrowsmith, David Burns, Helen Razmjou, Michael Hardisty, Cari Whyne

Notice bibliographique

RevueJMIR Rehabilitation and Assistive Technologies · 2022
Typearticle
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueMusculoskeletal pain and rehabilitation
Établissements canadiensHalTechUniversity of TorontoSunnybrook Health Science Centre
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of CanadaCanadian Institutes of Health ResearchAGE-WELL
Mots-clésInertial measurement unitRandom forestMachine learningArtificial intelligenceSittingComputer scienceHyperparameterConvolutional neural networkWearable computerPhysical medicine and rehabilitationAlgorithmPhysical therapyMedicine

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Background Physiotherapy is a critical element in the successful conservative management of low back pain (LBP). A gold standard for quantitatively measuring physiotherapy participation is crucial to understanding physiotherapy adherence in managing recovery from LBP. Objective This study aimed to develop and evaluate a system with wearable inertial sensors to objectively detect the performance of unsupervised exercises for LBP comprising movement in multiple planes and sitting postures. Methods A quantitative classification design was used within a machine learning framework to detect exercise performance and posture in a cohort of healthy participants. A set of 8 inertial sensors were placed on the participants, and data were acquired as they performed 7 McKenzie low back exercises and 3 sitting posture positions. Engineered time series features were extracted from the data and used to train 9 models by using a 6-fold cross-validation approach, from which the best 2 models were selected for further study. In addition, a convolutional neural network was trained directly on the time series data. A feature importance analysis was performed to identify sensor locations and channels that contributed the most to the models. Finally, a subset of sensor locations and channels was included in a hyperparameter grid search to identify the optimal sensor configuration and best performing algorithms for exercise and posture classification. The final models were evaluated using the F1 score in a 10-fold cross-validation approach. Results In total, 19 healthy adults with no history of LBP each completed at least one full session of exercises and postures. Random forest and XGBoost (extreme gradient boosting) models performed the best out of the initial set of 9 engineered feature models. The optimal hardware configuration was identified as a 3-sensor setup—lower back, left thigh, and right ankle sensors with acceleration, gyroscope, and magnetometer channels. The XGBoost model achieved the highest exercise (F1 score: mean 0.94, SD 0.03) and posture (F1 score: mean 0.90, SD 0.11) classification scores. The convolutional neural network achieved similar results with the same sensor locations, using only the accelerometer and gyroscope channels for exercise classification (F1 score: mean 0.94, SD 0.02) and the accelerometer channel alone for posture classification (F1 score: mean 0.88, SD 0.07). Conclusions This study demonstrates the potential of a 3-sensor lower body wearable solution (eg, smart pants) that can identify exercises in multiple planes and proper sitting postures, which is suitable for the treatment of LBP. This technology has the potential to improve the effectiveness of LBP rehabilitation by facilitating quantitative feedback, early problem diagnosis, and possible remote monitoring.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,005
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,009
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,008
Score d'incertitude au seuil0,029

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0050,009
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,009
Tête enseignante GPT0,267
Écart entre enseignants0,258 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations12
Publié2022
Routes d'admission3
Résumé présentoui

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