In this work we present a new physics-informed machine learning model that can be used to analyze kinematic data from an instrumented mouthguard and detect impacts to the head. Monitoring player impacts is vitally important to understanding and protecting from injuries like concussion. Typically, to analyze this data, a combination of video analysis and sensor data is used to ascertain the recorded events are true impacts and not false positives. In fact, due to the nature of using wearable devices in sports, false positives vastly outnumber the true positives. Yet, manual video analysis is time-consuming. This imbalance leads traditional machine learning approaches to exhibit poor performance in both detecting true positives and preventing false negatives. Here, we show that by simulating head impacts numerically using a standard Finite Element head-neck model, a large dataset of synthetic impacts can be created to augment the gathered, verified, impact data from mouthguards. This combined physics-informed machine learning impact detector reported improved performance on test datasets compared to traditional impact detectors with negative predictive value and positive predictive values of 88% and 87% respectively. Consequently, this model reported the best results to date for an impact detection algorithm for American Football, achieving an F1 score of 0.95. In addition, this physics-informed machine learning impact detector was able to accurately detect true and false impacts from a test dataset at a rate of 90% and 100% relative to a purely manual video analysis workflow. Saving over 12 hours of manual video analysis for a modest dataset, at an overall accuracy of 92%, these results indicate that this model could be used in place of, or alongside, traditional video analysis to allow for larger scale and more efficient impact detection in sports such as American Football.


翻译:在这项工作中,我们展示了一种新的物理知情机器学习模型,可以用来分析来自乐器口罩的动力学数据,并检测头部的冲击。监测播放器的影响对于理解和防范像脑震荡这样的伤害至关重要。通常,为了分析这些数据,将视频分析和感官数据结合起来,以确定所记录的事件是真实的影响,而不是虚假的正面。事实上,由于体育中使用可磨损设备的性质,假正数大大超过真实的正数。然而,人工视频分析耗费时间。这种不平衡导致传统的机器学习方法在检测真实正数和防止虚假负数方面表现不佳。监测播放器影响对于理解和保护像脑震荡这样的伤害至关重要。一般情况下,通过使用标准的 Finite Element头颈部模型来模拟头部影响,可以创建大量合成影响的数据集,以扩大所收集的、核实的、来自口罩的影响数据。由于使用物理知情的机器学习效果检测器的模型,可以改进测试数据集的性能,而与传统的预测值和准确预测值分别为88%和87%的预测值相比,这导致传统的机器学习方法学习结果的绩效,因此,这个模型在比真实的Frial Styal系统测测算法的精确测算法的测测算日期更精确测测算算得得得更精确地,这个比比比得得得得得得得得得得得得得得得更精确的精确的精确的精确的精确的精确到精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确到精确的精确的精确的精确的精确到精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确的精确到测算。

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机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
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