Use of wearable sensors to monitor Tai Chi practice

Tai Chi, a meditative/mind-body exercise, is one discipline growing in popularity in the U.S. and in general in the Western countries as a complementary and alternative medicine (CAM) therapy, especially for its beneficial impacts on balance and posture. In research regarding Tai Chi a specific challenge is objectively quantifying measures of adherence and functional dosage, which require quantitative measures of practice proficiency. In this study, a system of wearable sensors is used to monitor Tai Chi practice and specifically to discriminate which exercise is being performed and to determine the proficiency level of it. Fifteen Tai Chi practitioners have been enrolled and they had to perform twelve different Tai Chi exercises. Nine Shimmer sensors composed by 3-axes accelerometers were put on the upper and lower limbs and on the trunk to capture the movements of the different body parts. Data recorded has been used to train linear discriminant analysis, a machine learning technique able to predict both the exercise carried out and the proficiency level of the subject analyzed; this has been done basing on features that has been extracted from the accelerometer data and then analyzed and selected for their importance in achieving the goals of the study. The analysis of recorded data and the results allowed us to draw conclusions concerning the position and the minimization of the number of wearable sensors needed to gather the most significant information. The obtained predicted performance is satisfactory for both the purposes of the project; the results are good in terms of accuracy, and they can be further improved by carrying out a series of additional steps in the analysis.

L’arte marziale Tai Chi è una delle discipline che sta divenendo sempre più popolare negli Stati Uniti d’America e nei paesi occidentali in generale, posti in cui questa attività è praticata come terapia medica complementare e alternativa (CAM), in particolar modo grazie ai benefici che comporta all’equilibrio e alla postura. Nell’ambito della ricerca che riguarda il Tai Chi, un obiettivo è quello di quantificare oggettivamente l’utilità di quest’arte marziale, e ciò richiede misure quantitative riguardanti il livello di competenza e abilità con cui essa viene praticata. In questo studio è stato utilizzato un sistema composto da sensori wearable per monitorare la pratica del Tai Chi; in particolare gli scopi sono quelli di riconoscere che tipo di esercizio viene eseguito e determinare l’abilità del professionista in questione. Sono stati reclutati quindici professionisti di Tai Chi, ed è stato chiesto loro di eseguire dodici esercizi diversi. Sono stati utilizzati nove sensori Shimmer composti da accelerometri; essi sono stati posizionati sugli arti superiori e inferiori, così come sul tronco, con l’obiettivo di acquisire dati riguardanti i movimenti dei diversi segmenti corporei. I dati registrati sono stati usati per alimentare il metodo di classificazione Linear Discriminant Analysis, che in questo progetto è stata capace di predire sia l’esercizio praticato che il livello di competenza del soggetto in questione; ciò è stato eseguito basandosi su features estratte dai dati degli accelerometri, che sono poi state analizzate e selezionate per la loro importanza nel raggiungere gli obiettivi del lavoro. L’analisi dei dati registrati e i risultati ottenuti hanno permesso di trarre conclusioni che riguardano la miglior posizione e la minimizzazione del numero di sensori necessari per cogliere esclusivamente informazioni significative. Per quanto riguarda entrambi gli obiettivi del progetto, le performance ottenute sono soddisfacenti; i risultati sono buoni in termini di accuratezza, e possono essere ulteriormente migliorati eseguendo step successivi sull’analisi dei dati.