Onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben een AI-aangedreven, slimme binnenzool die elke schoen in een handomdraai verandert in een draagbaar laboratorium voor loopanalyse.

Het werk, gerapporteerd in de uitgave van januari 2020 van: IEEE-transacties op neurale systemen en revalidatietechniek , klinische onderzoekers kunnen profiteren door een nieuwe manier te bieden om de loopfunctie nauwkeurig te meten bij patiënten met bewegingsstoornissen of musculoskeletale verwondingen, in hun leefomgeving. De technologie kan ook leiden tot aanzienlijke vooruitgang voor atleten, door hen te helpen hun looptechniek te verbeteren.

"Vanuit praktisch oogpunt dat is van onschatbare waarde, " zei Damiano Zanotto, hoofdauteur en directeur van Stevens Wearable Robotic Systems Lab. "We zijn nu in staat om het looppatroon van een persoon in realtime nauwkeurig te analyseren, in echte omgevingen."

Een enkele stap zetten lijkt misschien eenvoudig, maar het vastleggen van betrouwbare informatie over het lopen van een persoon in real-life omgevingen blijft een grote uitdaging voor onderzoekers. Goudstandaard ganganalysetechnologieën, zoals op camera's gebaseerde motion-capture-systemen en krachtplaten, zijn duur en kunnen alleen in laboratoria worden gebruikt, dus bieden ze weinig inzicht in hoe mensen in de echte wereld rondlopen. Opkomende draagbare technologieën zoals slimme schoenen, peulen, en inlegzolen kunnen deze beperking mogelijk overwinnen, maar de bestaande producten kunnen geen nauwkeurige loopgegevens leveren.

In hun werk, Zanotto en zijn team laten zien dat hun slimme binnenzool realtime gegevens kan leveren over de lengte, snelheid, en kracht van de pas van een drager met een betere nauwkeurigheid dan bestaande op de voet gedragen technologieën - en tegen een fractie van de kosten van traditionele laboratoriumapparatuur. (Zantto en zijn team zijn op zoek naar twee patenten met betrekking tot de SportSole, en verschillende bedrijven en professionele sportfranchises volgen het werk van het team op de voet.)

De SportSole-technologie van het team maakt gebruik van versnellingsmeters en gyroscopen om zijn eigen beweging en oriëntatie in de ruimte te volgen, en een reeks krachtsensoren om plantaire druk te detecteren, waardoor het 500 metingen per seconde kan vastleggen - ongeveer een vijfvoudige verbetering ten opzichte van slimme stappentellers en andere draagbare hulpmiddelen voor loopanalyse.

De echte magie, echter, gebeurt buiten de schoen. Draagbare bewegingssensoren zijn inherent luidruchtig. Om die uitdaging te overwinnen, Zanotto brengt die 500 metingen per seconde terug tot slechts een paar belangrijke kenmerken, voert vervolgens de resultaten in een AI-algoritme in dat in staat is om snel loopparameters te extraheren die nauwkeurig zijn tot op een paar procentpunten.

Dat is een grote verbetering ten opzichte van andere hulpmiddelen voor AI-ganganalyse, die rekenintensief zijn en waarvoor gegevens moeten worden vastgelegd voor latere analyse. Het Stevens-systeem is veel efficiënter, waardoor het kan worden ingebakken in een microcontroller die in staat is om realtime ganganalyse te leveren.

Het werkt ook ongeacht of de drager loopt of rent, en genereert nauwkeurige resultaten zonder kalibratie of aanpassing voor individuele gebruikers. Voorlopige tests suggereren dat de SportSole zelfs werkt met kinderen vanaf drie jaar en ouderen met vestibulaire stoornissen, wiens looppatronen heel anders zijn dan die van gezonde volwassenen.

Een dergelijke consistente nauwkeurigheid is indrukwekkend omdat de meeste gangonderzoekers hoogwaardige sensoren gebruiken die $ 1 kosten, 000 of meer in een poging om fouten te verminderen. Daarentegen, Zanotto en zijn team gebruikten kant-en-klare sensoren die ongeveer $ 100 kosten, vertrouwen op AI om betrouwbare gegevens te extraheren. "We behalen dezelfde of betere resultaten tegen veel lagere kosten, en dat is een groot probleem als het gaat om het opschalen van deze technologie, ' zei Zanotto.

Voor nu, Hoewel, het team richt zich op het testen van de SportSole voor klinisch gebruik. Een onopvallend, draagbare loopmonitor kan onderzoekers helpen bij het optimaliseren van behandelingen voor mensen met bewegingsstoornissen, het mogelijk maken om op afstand toezicht te houden op kwetsbare bevolkingsgroepen, of belangrijke inzichten bieden in de veiligheid en werkzaamheid van nieuwe behandelingen die het lopen en evenwicht kunnen beïnvloeden.