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Real-Time Gait Phase Detection on Wearable Devices for Real-World Free-Living Gait

可穿戴计算机 步态 计算机科学 稳健性(进化) 支持向量机 步态分析 人工智能 微控制器 聚类分析 物理医学与康复 嵌入式系统 医学 生物化学 基因 化学
作者
Jiaen Wu,Barna Becsek,Alessandro Schaer,Henrik Maurenbrecher,George Chatzipirpiridis,Olgaç Ergeneman,Salvador Pané,Hamdi Torun,Bradley J. Nelson
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:27 (3): 1295-1306 被引量:8
标识
DOI:10.1109/jbhi.2022.3228329
摘要

Detecting gait phases with wearables unobtrusively and reliably in real-time is important for clinical gait rehabilitation and early diagnosis of neurological diseases. Due to hardware limitations of microcontrollers in wearable devices (e.g., memory and computation power), reliable real-time gait phase detection on the microcontrollers remains a challenge, especially for long-term real-world free-living gait. In this work, a novel algorithm based on a reduced support vector machine (RSVM) and a finite state machine (FSM) is developed to address this. The RSVM is developed by exploiting the cascaded K-means clustering to reduce the model size and computation time of a standard SVM by 88% and a factor of 36, with only minor degradation in gait phase prediction accuracy of around 4%. For each gait phase prediction from the RSVM, the FSM is designed to validate the prediction and correct misclassifications. The developed algorithm is implemented on a microcontroller of a wearable device and its real-time (on the fly) classification performance is evaluated by twenty healthy subjects walking along a predefined real-world route with uncontrolled free-living gait. It shows a promising real-time performance with an accuracy of 91.51%, a sensitivity of 91.70%, and a specificity of 95.77%. The algorithm also demonstrates its robustness with varying walking conditions.

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