AI-based Injury Prevention Assistance System for Automated Motion Analysis of the Lower Extremities to Prevent Injuries Caused by Improper Loading – A Pilot Study

Sabine Bauer, Ivanna Kramer

Introduction

The knee joint is prone to injuries, which often occur after jumping landings, changes of direction, or abrupt braking. Improper loading or habitual improper movements can also cause damage. Prevention programs can reduce the risk of injury, such as reducing anterior cruciate ligament ruptures by 51 %. In this study, we investigated the potential of marker less measurement of human posture from RGB images using different AI-based pose models.

Methods

We analyzed the lower extremity kinematics of 10 subjects (4 male, 6 female) performing two-legged squats (3 repetitions, 3 sets). The movements were recorded with Intel RealSense D435i cameras (848x480 px, 30 fps) placed in front and to the subjects’ right. Three experts annotated the knee, hip, and ankle in each image. We also used real-time AI pose models (OpenPose, YOLO pose, MediaPipe pose) to detect key points and automatically calculate knee-hip-ankle angles (figure 1).

Fig. 1: The knee-hip-ankle is calculated using the kinematic data from Open Pose (purple), YOLO (blue) and Media Pipe (red) in frontal ((a)-(c)) and lateral view ((d)-(e)). Ground truth is marked green.

Results

We analyzed 3,630 images to compare angles calculated from AI-detected key points with expert-annotated ground truth data. The mean absolute error (MAE) for OpenPose was 5.0° ± 3.68° in lateral images 8.65° ± 8.36° and in frontal pictures for the right leg, and 8.13° ± 8.06° for the left leg. YOLO pose showed an MAE of 5.08° ± 3.34°in lateral images and 6.44° ± 6.39° in frontal pictures for the right leg, and 6.31° ± 6.48° for the left leg. MediaPipe had an MAE of 5.49° ± 4.08° in lateral images and 6.43° ± 7.24° in frontal pictures for the right leg, and 7.13° ± .23° for the left leg.

Discussion and Conclusion

The analysis showed that the MAE values for each model differed across different views and legs. OpenPose had a higher MAE in the frontal view, especially for the right leg. YOLO pose performed consistently between lateral and frontal views. MediaPipe had the lowest MAE in the lateral view but more variability in the frontal view. These results suggest that the view and specific leg significantly influence model performance. Additionally, the pose models exhibited higher MAE in images of participants wearing loose clothing.

Key Message

The results show that lower joint angles can be reliably calculated using landmarks from pose models, supporting their use in real-time squat motion analysis for injury prevention. We suggest using a combination of pose models, such as OpenPose or YOLO pose, for the lateral images and YOLO for the frontal images.

Authors

Dr. rer. nat Sabine Bauer
Ivanna Kramer, MSc
University of Koblenz
Institute for Medical Technology and Information Processing
Postbox 20 16 02 | D-56016 Koblenz
E-Mail: bauer@uni-koblenz.de

Erprobung und Evaluation zirkadianer Wachsysteme für die Marine

Stefan Röttger^a, Johanna Abendroth^a, Melanie Giesche^b, Theresa Kohn^a, Thomas Jacobsen^c, Panagiotis Matsangas^d, Nita Lewis Shattuck^d

^a Schifffahrtmedizinisches Institut der Marine, Fachgebiet Ergonomie und Schifffahrtpsychologie, Kronshagen
^b Einsatzflottille 1, Dezernat Truppenpsychologie, Kiel
^c Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg, Lehrstuhl für Allgemeine und Experimentelle Psychologie
^d Naval Postgraduate School, Department of Operations Research, Monterey, CA, USA

Hintergrund

Der kontinuierliche Betrieb eines Kriegsschiffes erfordert die Arbeit der Besatzung in Schichten, in der Seefahrt Wachen genannt. Menge und Zeitpunkt der Arbeits- und Ruhezeiten können dabei in Konflikt mit dem zirkadianen Schlaf-Wach-Rhythmus der Besatzungsangehörigen stehen und zu Müdigkeit, Erschöpfung, reduzierter Leistungsfähigkeit und letztlich auch Havarien führen. Nach einer Serie von Havarien hat die U.S. Navy daher aktuelle Leitlinien für die Wachplangestaltung aufgestellt, die so weit wie möglich die menschliche zirkadiane Rhythmik berücksichtigen sollen. Der Vortrag soll einen Überblick über ein Sonderforschungsprojekt zur Erprobung und Evaluation solcher zirkadianen Wachsysteme in der Deutschen Marine geben.

Fragestellungen

In insgesamt 3 Datenerhebungen sollte untersucht werden, ob (1.) ein nach den Prinzipien zirkadianer Wachsystemgestaltung optimiertes Zweiwachsystem zu besserem Befinden, mehr gesundem Schlaf und höherer Leistungsfähigkeit führt als das traditionelle Zweiwachsystem der Marine, (2.) wie sich Müdigkeit, Schlaf und Leistungsfähigkeit in einem Wachsystem mit vier Wachen im Zeitverlauf entwickeln und zwischen den einzelnen Wachen unterscheiden und (3.) ob und in welcher Richtung es Unterschiede zwischen diesen Parametern in einem Dreiwachsystem mit festen und rotierenden Wachzeiten gibt.

Abb. 1: Ein an den zirkadianen Rhythmus angepasstes Zweiwachsystem hatte Vorteile im Hinblick auf eine Verkürzung der Reaktionszeiten, war allerdings ohne Einfluss auf das subjektive Empfinden der Studienteilnehmer.

Methode

Zur Erfassung der subjektiven Müdigkeit und Erschöpfung wurden die Epworth Sleepiness Scale und die ­Fatigue Severity Scale jeweils summarisch und retrospektiv für die vergangene Seefahrt und die Karolinska Sleepiness Scale wiederholt für die momentane Müdigkeit verwendet. Die Schlaf- und Wachzeiten wurden durch am Handgelenk getragener Aktigraphen und zur Unterstützung der Auswertung mittels Tagesprotokoll erfasst. Die Leistungsfähigkeit wurde mittels in die Aktigraphen integrierter Vigilanztests (Psychomotor Vigilance Task) ermittelt, die zu jedem Wachwechsel selbstständig durchgeführt werden sollten.

Die Datenerhebung zur Untersuchung der Zweiwach­systeme wurde im Cross-Over-Design parallel auf zwei Minenjagdbooten durchgeführt, die im Rahmen eines Übungsvorhabens zwei 7-tägige Seefahrten gemeinsam im gleichen Seegebiet durchführten, und von denen jedes Wachsystem für jeweils 7 Tage erprobt wurde. Das Vierwachsystem wurde an Bord eines Einsatzgruppenversorgers während einer 8-tägigen Seefahrt mit verschiedenen Manövern untersucht. Die Datenerhebungen im rotierenden (A) und im festen (B) Dreiwachsystem wurden während 5 Seefahrten über einen Zeitraum von 7 Wochen an Bord einer Fregatte im UNIFIL-Einsatz im A – B – B – B – A Design durchgeführt.

Abb. 2: Bis auf die Besatzungsangehörigen, die regelmäßig die Wache von 0 h bis 3 h zu gehen hatten, konnten die Untersuchten einen Rückgang der subjektiven Müdigkeit im Verlauf der Seefahrt beobachten.

Ergebnisse

Das optimierte Zweiwachsystem bot Vorteile für die Vigilanzleistung der Besatzungen im Sinne kürzerer Reaktionszeiten, nicht jedoch für das subjektive Befinden. Im untersuchten Vierwachsystem war für den größten Teil der Besatzung ein Rückgang der subjektiven Müdigkeit im Laufe der Seefahrt zu beobachten. Nur für die Besatzungsangehörigen, die regelmäßig von Mitternacht bis 3 Uhr morgens Wache gehen mussten, zeigte sich dieser Rückgang nicht, sie waren zum Ende der Seefahrt müder als die übrigen Studienteilnehmer. Zwischen den untersuchten Dreiwachsystemen mit festen und rotierenden Wachzeiten zeigten sich tagsüber (zwischen 8 und 20 Uhr) keine Unterschiede in der subjektiven Müdigkeit. In der Nacht (zwischen 20 und 8 Uhr) war die Müdigkeit im rotierenden Wachsystem geringfügig, aber statistisch signifikant niedriger als im Wachsystem mit konstanten Wachzeiten.

Diskussion und vorläufiges Fazit

Die Auswertung der an Bord erhobenen Daten ist noch nicht abgeschlossen. Als vorläufiges Fazit lässt sich ­ziehen, dass sich das untersuchte Vierwachsystem sehr positiv auf die Müdigkeit der meisten Besatzungs­angehörigen auswirkt, das optimierte Zweiwachsystem den im traditionellen Wachsystem im Laufe einer Seefahrt eintretenden Leistungseinbußen effektiv entgegenwirkt.

Für die Verfasser

Dr. rer.nat. Stefan Röttger
Schifffahrtmedizinisches Institut der Marine
Kopperpahler Allee 120, 24119 Kronshagen
E-Mail: stefanroettger@bundeswehr.org