Marker-based Optical Motion Capture (OMC) systems and the associated musculoskeletal (MSK) modeling predictions have offered the ability to gain insights into in vivo joint and muscle loading non-invasively as well as aid clinical decision-making. However, an OMC system is lab-based, expensive, and requires a line of sight. A widely used alternative is the Inertial Motion Capture (IMC) system, which is portable, user-friendly, and relatively low cost, although it is not as accurate as an OMC system. Irrespective of the choice of motion capture technique, one needs to use an MSK model to obtain the kinematic and kinetic outputs, which is a computationally expensive tool increasingly well approximated by machine learning (ML) methods. Here, we present an ML approach to map IMC data to the human upper-extremity MSK outputs computed from OMC input data. Essentially, we attempt to predict high-quality MSK outputs from the relatively easier-to-obtain IMC data. We use OMC and IMC data simultaneously collected for the same subjects to train an ML (feed-forward multi-layer perceptron) model that predicts OMC-based MSK outputs from IMC measurements. We demonstrate that our ML predictions have a high degree of agreement with the desired OMC-based MSK estimates. Thus, this approach will be instrumental in getting the technology from 'lab to field' where OMC-based systems are infeasible.


翻译:光学运动采集(OMC)系统及相关的肌肉骨骼(MSK)模型预测提供了了解非侵入性体外联合和肌肉载荷以及辅助临床决策的能力。然而,光学运动系统以实验室为基础,费用昂贵,需要一线观察。广泛使用的一个替代办法是静电运动采集(IMC)系统,该系统是便携式的、方便用户的、成本相对较低的,尽管它不像OMC系统那么精确。不管运动捕获技术的选择如何,人们需要使用MSK模型来获得运动和运动性产出,这是一个计算成本越来越高的工具,机器学习(ML)方法越来越接近。这里,我们用ML方法将IMC数据映射给人类高超光谱的MSK产出。基本上,我们试图从相对容易到观测的IMC数据中预测高质量的MSK数据。我们用OMC和IMC模型同时收集的O-MC数据,用来对多层次的输出进行我们高层次的MMC数据进行测试。

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