TW
Taniel Winner
Author with expertise in Gait Analysis and Fall Prevention in Elderly
Achievements
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
3
(100% Open Access)
Cited by:
4
h-index:
3
/
i10-index:
0
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
15

Discovering individual-specific gait signatures from data-driven models of neuromechanical dynamics

Taniel Winner et al.Dec 23, 2022
+3
L
M
T
Abstract Locomotion results from the interactions of highly nonlinear neural and biomechanical dynamics. Accordingly, understanding gait dynamics across behavioral conditions and individuals based on detailed modeling of the underlying neuromechanical system has proven difficult. Here, we develop a data-driven and generative modeling approach that recapitulates the dynamical features of gait behaviors to enable more holistic and interpretable characterizations and comparisons of gait dynamics. Specifically, gait dynamics of multiple individuals are predicted by a dynamical model that defines a common, low-dimensional, latent space to compare group and individual differences. We find that highly individualized dynamics – i.e., gait signatures – for healthy older adults and stroke survivors during treadmill walking are conserved across gait speed. Gait signatures further reveal individual differences in gait dynamics, even in individuals with similar functional deficits. Moreover, components of gait signatures can be biomechanically interpreted and manipulated to reveal their relationships to observed spatiotemporal joint coordination patterns. Lastly, the gait dynamics model can predict the time evolution of joint coordination based on an initial static posture. Our gait signatures framework thus provides a generalizable, holistic method for characterizing and predicting cyclic, dynamical motor behavior that may generalize across species, pathologies, and gait perturbations. Author Summary In this manuscript, we introduce a novel, machine learning-based framework for quantifying, characterizing, and modifying the underlying neuromechanical dynamics that drive unique gait patterns. Standard methods for evaluating movement typically focus on extracting discrete gait variables ignoring the complex inter-limb and inter-joint spatiotemporal dependencies that occur during gait. Popular physiologically realistic modeling approaches encode these spatiotemporal dependencies but are too complex to characterize individual differences in the factors driving unique gait patterns or disorders. To circumvent these modeling complications, we develop a phenomenological model of gait that enables more holistic and interpretable characterizations of gait, encoding these complex spatiotemporal dependencies between humans’ joint angles arising from joint neural and biomechanical constraints. Our coined ‘gait signature’ framework provides a path towards understanding the neuromechanics of locomotion. This framework has potential utility for clinical researchers prescribing individualized therapies for pathologies or biomechanists interested in animal locomotion or other periodic movements assessed across different pathologies, neural perturbations, and or conditions.
0

Gait signature changes with walking speed are similar among able-bodied young adults despite persistent individual-specific differences

Taniel Winner et al.May 3, 2024
+2
G
M
T
Abstract Understanding individuals’ distinct movement patterns is crucial for health, rehabilitation, and sports. Recently, we developed a machine learning-based framework to show that “gait signatures” describing the neuromechanical dynamics governing able-bodied and post-stroke gait kinematics remain individual-specific across speeds. However, we only evaluated gait signatures within a limited speed range and number of participants, using only sagittal plane (i.e., 2D) joint angles. Here we characterized changes in gait signatures across a wide range of speeds, from very slow (0.3 m/s) to exceptionally fast (above the walk-to-run transition speed) in 17 able-bodied young adults. We further assessed whether 3D kinematic and/or kinetic (ground reaction forces, joint moments, and powers) data would improve the discrimination of gait signatures. Our study showed that gait signatures remained individual-specific across walking speeds: Notably, 3D kinematic signatures achieved exceptional accuracy (99.8%, confidence interval (CI): 99.1-100%) in classifying individuals, surpassing both 2D kinematics and 3D kinetics. Moreover, participants exhibited consistent, predictable linear changes in their gait signatures across the entire speed range. These changes were associated with participants’ preferred walking speeds, balance ability, cadence, and step length. These findings support gait signatures as a tool to characterize individual differences in gait and predict speed-induced changes in gait dynamics.
0

Gait signature changes with walking speed are similar among able-bodied young adults despite persistent individual-specific differences

Taniel Winner et al.Aug 26, 2024
+2
G
M
T
Understanding individuals' distinct movement patterns is crucial for health, rehabilitation, and sports. Recently, we developed a machine learning-based framework to show that "gait signatures" describing the neuromechanical dynamics governing able-bodied and post-stroke gait kinematics remain individual-specific across speeds. However, we only evaluated gait signatures within a limited speed range and number of participants, using only sagittal plane (i.e., 2D) joint angles. Here we characterized changes in gait signatures across a wide range of speeds, from very slow (0.3 m/s) to exceptionally fast (above the walk-to-run transition speed) in 17 able-bodied young adults. We further assessed whether 3D kinematic and/or kinetic (ground reaction forces, joint moments, and powers) data would improve the discrimination of gait signatures. Our study showed that gait signatures remained individual-specific across walking speeds: Notably, 3D kinematic signatures achieved exceptional accuracy (99.8%, confidence interval (CI) 99.1–100%) in classifying individuals, surpassing both 2D kinematics and 3D kinetics. Moreover, participants exhibited consistent, predictable linear changes in their gait signatures across the entire speed range. These changes were associated with participants' preferred walking speeds, balance ability, cadence, and step length. These findings support gait signatures as a tool to characterize individual differences in gait and predict speed-induced changes in gait dynamics.