I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.   15 ,   No .   4 A u g u s t   20 26 ,   p p .   3 6 2 5 ~ 3 6 3 6   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 15 .i 4 . p p 3 6 2 5 - 3 6 3 6           3625     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Sy mm etry inde x - ba sed g a it  impro v ement  predic tion  using  a  CNN - LST M - a tt e ntion fram e wo rk       P us hp a la t ha   O ba nn a 1, 2 ,   P re m k um a Ra m esh 1   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   JA I N   ( D e e m e d - to - be - U n i v e r si t y ) ,   B e n g a l u r u ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   J a i n   I n st i t u t e   o f   T e c h n o l o g y ,   D a v a n a g e r e ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   12 2 0 2 5   R ev is ed   May   16 2 0 2 6   Acc ep ted   May   24 2 0 2 6       Th e   sh o rtco m i n g o f   e x isti n g   c li n ica a ss e ss m e n ts  a re   a d d re ss e d   b y   u si n g   d e e p   lea rn in g   (DL)  fra m e wo rk .   T h is  stu d y   will   a ss e ss   th e   g a it   imp ro v e m e n o lo we li m b   fra c tu re d   p a ti e n ts u sin g   t h e   p u b l icly   a v a il a b le  G a it Re c   d a tas e t.   Th e   d a tas e c o n tai n th e   v e rti c a l   g r o u n d   re a c ti o n   f o rc e   (G RF d a ta  u se d   to   c o m p u te  b io m e c h a n ica k i n e ti c   fe a tu re s.  Th is  fra m e wo rk   c o n sid e rs  h ip ,   k n e e ,   a n k le ,   a n d   c a lca n e u s   fra c tu re a l o we li m b   fra c tu re   c las s ,   a n d   t h e   s y m m e try   in d ice c o m p u tati o n   is  d o n e   b e twe e n   a ffe c ted   a n d   u n a ffe c ted   li m b s ,   a n d   t h e ir  tem p o ra c h a n g e we re   e x a m in e d   t o   a n a ly z e   a n d   trac k   t h e   re h a b il it a ti o n   p ro g re ss   o in d iv i d u a su b jec t.   Th e   fra m e wo rk   su c c e ss fu ll y   id e n ti fies   t h e   re d u c ti o n   i n   th e   a sy m m e try   b e twe e n   left  a n d   rig h le g   fe a tu re s.  Th e   o v e ra ll   g a it   im p ro v e m e n i n   p a ti e n ts  is   c o m p u ted   u sin g   in i ti a l   a n d   fin a l   se ss io n   c o m p o site  a sy m m e try   i n d e x   ( ASI )   v a l u e a n d   if   it   is  a lea st  3 0 %   th e n   o v e ra ll   g a it   is  im p ro v e d ,   d e m o n stra ti n g   it r o b u stn e ss   a n d   c li n ica re lev a n c e .   Th e   su g g e ste d   c o n v o l u ti o n a n e u ra n e two rk   ( CNN ) - l o n g   sh o rt - term   m e m o ry   ( LS TM ) - a tt e n ti o n   h y b rid   m o d e l   o u tp e rfo rm e d   with   re g re ss io n   m e tri c o ro o m e a n   sq u a re   e rro ( RM S E )   o 1 . 0 9 m e a n   a b s o lu te  e rro r   ( M AE )   b y   0 . 6 4 ,   a n d   R 2   sc o re   o 0 . 9 8   a n d   c las sifica ti o n   m e tri c o f   a c c u ra c y   9 7 . 1 % ,   p re c isio n   o f   9 7 . 6 % ,   re c a ll   o 9 6 % ,   a n d   F 1 - sc o re   o 9 6 . 8 %   b y   c a p tu rin g   b o t h   t h e   lo c a p a t tern s a n d   tem p o ra d y n a m ics   o th e   g a it   d a ta.   K ey w o r d s :   Atten tio n   B io m ec h an ical  f ea tu r es   L o wer   lim b   f r ac tu r es   R eh ab ilit atio n   Sy m m etr y   in d e x   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Pu s h p alath Ob an n a   Dep ar tm en t o f   E lectr o n ics an d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,   J AI ( Dee m ed - to - be - Un iv er s ity )   B en g alu r u ,   Kar n atak a,   I n d ia   E m ail:  p u s h p alath a. s o n u @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   R eh ab ilit atio n   p lay s   a   cr itical  r o le  in   r esto r in g   m o b ilit y ,   f u n ctio n al  in d e p en d e n ce ,   an d   o v e r all  q u ality   o f   life   a f ter   lo wer   lim b   f r ac t u r e.   T r ad itio n al  clin ical   ass ess m en r elies  o n   o b s er v atio n al   g ait  an aly s is ,   wh ich   is   s u b jectiv an d   o f ten   u n ab le  to   d etec s u b tle  b io m ec h a n ical  im p r o v em en ts .   W ith   th ad v an ce m en ts   in   wea r ab le  s en s o r s   an d   f o r ce   p l atf o r m s ,   clin ician s   ca n   n o o b tain   q u an titativ g ait  m ea s u r es su ch   as p ea k   f o r ce   ( PF ) ,   im p u ls e ,   an d   s y m m etr y .   Ho wev er ,   s ig n if ica n ch a llen g r em ain s   in   ef f ec tiv ely   in ter p r etin g   t h ese  co m p lex ,   lar g e - s ca le  d atasets   to   ac cu r ately   tr ac k   p atien t's   f u n ctio n al  r ec o v e r y .   T h is   s tu d y   d esig n s   an d   v alid ates  d ee p   lear n in g   ( D L )   r eh a b ilit atio n   f r am ewo r k   th at  co m b in es  c o n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k   ( C NN ) - lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM )   m o d ellin g   with   an   atten tio n   la y er   a n d   s y m m etr y   in d ex   an aly s is   t o   o b jectiv ely   m o n ito r   g ait  r ec o v er y   i n   lo wer   lim b   f r ac tu r e   p atien ts .   T h f r am ewo r k   aim s   to   co m p u te  k e y   b io m ec h an ical   f ea tu r es  f r o m   v er tical  g r o u n d   r ea ctio n   f o r ce   ( GR F)   s ig n als,  ca lcu late  s y m m etr y   in d ices  ac r o s s   m u ltip le  r eh a b ilit atio n   s ess io n s ,   an d   u s C NN - L STM   h y b r id   ar ch itectu r to   class if y   p atien t's   p r o g r ess   as   eith er   im p r o v ed   o r   n o t im p r o v ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t   20 26 :   3 6 2 5 - 3 6 3 6   3626   T h ass ess m en o f   g ait  an d   b a lan ce   in   th a g ed   p eo p le  with   m ild   im p air m e n is   d o n e   u s in g   g ait   an d   b alan ce   s m ar tp h o n a p p .   T h g ait  p ar am eter s   wer m ea s u r ed   u s in g   th ap p .   T h is   m eth o d   is   n o g en er alize d   f o r   d if f er en t a g g r o u p s   [ 1 ] .   T h g ait  an aly s is   an d   m o tio n   s c o r to o l is u s ed   o n ly   f o r   1 0   o b s er v atio n al  an d   f iv e   o th er   g ait  p ar am ete r s   ar u s ed   to   d iv id th p at h o lo g ical  an d   p h y s io lo g ical  g ait  an d   is   u s ed   f o r   clin ical   p r ac tice  [ 2 ] T ec h n o lo g ies   lik wea r ab le  s en s o r s   an d   m ac h in lear n in g   ( ML )   m eth o d s   ar u s ed   f o r   m o d er n   g ait  an aly s is .   T h e   ML   m eth o d s   im p r o v t h ac cu r ac y   o f   th s y s tem   [ 3 ] .   Ma n y   ML   class if ier s   ar u s ed ,   a n d   p o s t - in ju r y   r ec o v er y   o f   g ait   v a r iab les  is   co m p u ted   f o r   d if f e r e n p atien ts   f o r   t h g ait  an aly s i s   [ 4 ] .   T h e   k n ee   an d   an k le  b io m ec h an ics  wer in f l u en ce d   b y   th h ee l - f ir s t   s tr ik g ait  in   th h ea lth y   p er s o n   at h lete.   T h g ait  p atter n   is   m o d if ied   to   r ed u ce   th lo wer   k n ee   s tr ess   with   th p o ten tial  ap p licatio n   in   r e h ab ilit atio n   [ 5 ] .   T h g ai t   im p r o v em e n is   m o n ito r e d   b y   u s in g   v er tical  GR as  m ar k er   af ter   lo wer   lim b   in ju r y ,   with   t h s p atio - tem p o r al,   jo in k in em atics ,   a n d   k in etic  m ea s u r es  im p r o v ed   af ter   s o m m o n t h s .   T h e   walk in g   s p ee d   is   ex am in ed   d u r in g   r eh ab ilit atio n   [ 6 ] .   T h e   f o r ce   p late  is   u s ed   to   g et  th e   GR d a ta  f o r   p atien ts .   T h in tr a - in ter   leg   weig h b ea r in g   an d   s tab ilit y   ar e   esti m ated   u s i n g   th e   g ath er ed   d ata  with   all  f r ac tu r ty p es  [ 7 ] .   T h p atien ts   ar watc h ed   o n   th An ter io r   cr u ciate   lig am en f o r   6   to   1 2   m o n t h s   af ter   o p er atio n   an d   ex p l o r ed   t h at  b y   ch a n g i n g   th e   v er tical  GR with   b io f ee d b ac k ,   th at   im p ac th k n ee   d u r i n g   walk i n g   [ 8 ] .   T h e   g ait   s y m m etr y   ev alu at io n   o f   p o s t - s tr o k e   p atien ts   is   d o n u s in g   3 ac ce ler o m eter   [ 9 ] .   T h lo wer   li m b   o p tim izatio n   is   d o n e   u s in g   ML  d ata - d r iv en   ap p r o ac h es  [ 1 0 ] R ea l - tim e   g ait  an d   p o s itio n   m o n ito r in g   in   en ab led   b y   u s in g   th s en s Flo o r   s m ar ca r p et  with   an   in er tial m ea s u r em en u n it   ( I MU ) .   T h clo u d - b ased   d ash b o ar d s   ar p r o v id e d   to   th t h er a p is t a n d   p atien ts   b y   an aly zin g   th d ata  u s in g   ML   alg o r ith m s ,   s u p p o r tin g   tr ain i n g   id ea s   an d   im p r o v em en ts   in   th r eh ab ilit atio n   o u tco m es  [ 1 1 ] T h e   we ar a b l I M U   p r o v i d e   r el ia b le   g ait   p a r a m e te r s   t o   t r ac k   t h e   l o n g - te r m   r eh a b ili tat io n   o u tc o m es   o f   ti b ia f r a ct u r an d   l o we r   e x t r e m it y   tr a u m p a tie n ts   [ 1 2 ] [ 1 4 ] .   T h r esear ch   g ap s   id en tifie d   f r o m   th ex is tin g   wo r k   ar e   th at   th g ait  an aly s is   i s   im p r o v ed   b y   th DL   an d   th m ajo r ity   o f   DL   ap p li ca tio n s   h av b ee n   lim ited   t o   d is cr ete  class if icatio n   task s   s u ch   as  id en tif y in g   h ea lth y   an d   d is o r d er   g aits .   W h ile  th ese  d iag n o s tic  to o ls   ar v alu a b le,   th ey   d o   n o ad d r ess   th co n tin u o u s ,   f in e - g r ain e d   m o n ito r in g   r eq u ir ed   f o r   r eh a b ilit atio n .   C o n v en ti o n al  m o d els o f ten   co n s id er   ea ch   g ait  s ess io n   as a   d is cr ete  ev en t,  in s tead   as  p ar o f   p r o g r ess iv tim s er ies.  F o r   lo wer   lim b   f r ac tu r es ,   f r a m ewo r k   is   r eq u ir ed   to   q u an tif y   th f u n ctio n al  p r o g r ess   o v er   tim e.   T h n o v el  co n t r ib u tio n   o f   th p r o p o s ed   f r a m ewo r k   d i r ec tly   ad d r ess es  th is   g ap .   T h C NN - L STM   ar ch itectu r is   in teg r ate d   with   s y m m etr y   in d ex   an aly s is ,   p r o v id es  q u an titativ ap p r o ac h   to   tr ac k   t h e   r eh ab ilit atio n   p r o g r ess .   Fro m   th v er tical  GR d ata  th e   m o d el  d er iv es  t h k i n etic  m etr ic s   PF ,   tim to   p ea k   ( T T P) ,   im p u ls e,   lo ad i n g   r at ( L R ) ,   a n d   u n lo a d in g   r ate   ( UR )   f o r   b o th   th le g s   t o   ch ar a cter ize  g ait  im p r o v em e n t.  T h e   co n v o lu ti o n   1 lay e r   tr an s f o r m s   ea c h   f ea tu r i n d ep e n d en tly   m ea n s   th p o in wis co n v o l u tio n   is   p e r f o r m ed .   T h L STM   lay er   ca p tu r es  th e   te m p o r al  d ep en d en cies  an d   m o d els  th p r o g r ess io n   o f   g ait  f ea tu r es  ac r o s s   tim e.   T h atten tio n   lay er   im p r o v es  th p r ed ictiv p er f o r m a n ce   an d   also   in ter p r etab ilit y   an d   allo win g   clin ician s   to   u n d er s tan d   wh ich   p ar t   o f   th g a it  cy cle  co n t r ib u tes   m o s to   t h m o d el  d ec is io n .     T h lo n g itu d in al   tr ac k i n g   o f   g ait  im p r o v em en t   is   d o n e   f r o m   s ess io n   to   s ess io n   with   th e   r ed u ctio n   o f   3 i n   asy m m etr y   an d   f in ally ,   th e   m o d el  p r ed icts   g ait  im p r o v e m en if   th er is   r ed u ctio n   in   asy m m etr y   g r ea ter   th a n   o r   eq u al  to   3 0 with   th ch an g in   c o m p o s ite  asy m m etr y   in d ex   ( ASI )   v al u f r o m   in i tial  to   f in al  s ess io n .     T h e   m o d el  in tr o d u ce s   r eg r ess io n   to   class if icatio n   b r id g e,   allo win g   co n tin u o u s   p r e d ictio n   an d   b in a r y   d ec is io n - m ak in g   with in   t h s a m f r am ewo r k .   T h e   p u b licly   av ailab le  GaitR ec   d ataset  to   c an   b e   u s ed   t o   tr ac k   th lo n g - te r m   r ec o v er y   o f   lo w er   lim b   f r ac tu r p atien ts .         2.   P RO P O SE M E T H O D   2 . 1 .     B io m e cha nica f ea t ure  e x t ra ct i on     Key   b io m ec h an ical  f ea tu r es  wer co m p u ted   f o r   ea ch   r ec o r d ed   s ess io n   an d   tr ial   f o r   b o t h   t h af f ec ted   an d   u n af f ec ted   lim b s .   T h ( 1 )   to   ( 5 )   r ep r esen t   th m ath em ati ca l f o r m u las u s ed   t o   co m p u te  f ea tu r es.     PF : th m ax im u m   v er tical  f o r c v er tical   v alu r ec o r d e d   d u r in g   th s tan ce   p h ase  o f   g ait  c y cle.        = ma x (   ( ) )   ( 1 )       T T P:  th tim elap s ed   f r o m   in itial f o o t c o n tact  to   t h o cc u r r en ce   o f   th e   PF .     =      ( 2 )       I m p u ls e:  th in te g r al  o f   th e   v e r tical  f o r ce   o v er   th d u r atio n   o f   th e   s tan ce   p h ase  o f   g ait,   r e p r esen tin g   th e   to tal  lo ad   ap p lied   o v e r   tim e.      =    ( )    ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ymm etry in d ex - b a s ed   g a it imp r o ve men t p r ed ictio n   u s in g   a   C N N - LS TM   …  ( P u s h p a la th a   Ob a n n a )   3627     L R th r ate  o f   f o r ce   in cr ea s es d u r in g   th weig h t a cc e p tan ce   p h ase.      =   ( 10% )    ( 0% ) 10% 0%   ( 4)       UR t h r ate  o f   f o r ce   d ec r ea s es  d u r in g   th p u s h - o f f   p h ase.   T h u n it  o f   PF   is   %B W ,   T T is   in s tan ce   p h ase,   i m p u ls in   ( %B W / s ) ,   L R   an d   UR   in   ( %B W / s ) .      =  ( 100% )  ( 90% ) 100% 90%   ( 5 )     2 . 2 .     Sy m m e t ry   ind ex   mo dellin g   T h b io m ec h a n ical  k in etic  f ea tu r es  ar co m p u ted   f o r   b o th   th lef an d   r ig h leg .   T h af f ec ted   an d   u n af f ec ted   leg s   ar id en tifie d   b y   m ap p in g   v alu es  f r o m   th GR F_ m etad ata. csv   f ile.   T o   p r o v id q u an tifia b le   m ea s u r o f   g ait  s y m m etr y ,   t h ab s o lu te  s y m m etr y   in d ex   was  co m p u ted   u s in g   ( 6 )   f o r   ea ch   b io m ec h an ical   f ea tu r ( X) .   T h g ait  im p r o v em en is   c h ec k ed   u s in g   th s y m m etr y   in d e x   a f ter   r eh a b ilit atio n .   T h e   g ait   s y m m etr y   is   ca p tu r ed   o n ly   at   s in g le  p o in t   [ 1 5 ] .   wh er e   Xaf f ec ted   an d   Xu n af f ec ted   ar e   th e   f ea tu r e   v alu es   f o r   th af f ec ted   a n d   u n af f ec ted   lim b s ,   r esp ec tiv ely .        = |   0 . 5 × (  +  ) |   ×   100   ( 6 )     F o r   b i l a t e r al   f r a c t u r e   p a t i e n t s ,   t h e   A S I   i s   c o m p u t e d   u s i n g   ( 7 ) .   T h i s   d a t a   t r a n s l at es   t h b i l a t e r al  b i o m e c h a n i c a l   d i f f e r e n c e s   i n to   a   q u a n t i f i a b l e   m et r i c   o f   as y m m e t r y ,   w h i c h   is   ess e n t i al  f o r   r e h a b i l it a t i o n   a s s e s s m e n t .   T h e   d a ta   s e r v es   as   a   r e p r e s e n t at i v e   e x a m p l e   o f   t h a n a l y s is   p e r f o r m e d   f o r   a l l   s u b je c t s   i n   t h e   s t u d y .      = |   0 . 5 × (  +  ) |   ×   100   ( 7 )     2 . 3 .     L o ng it ud ina g a it   pro g r ess   a na ly s is   T h l o n g it u d in al  t r ac k i n g   o v e r   tim is   co n d u ct ed   t o   e v a lu ate   f u n cti o n al  r ec o v e r y   o f   k n ee   r e p la ce m e n t   s u r g er y   b y   c o ll ec t in g   g ait   d at a n d   p ati en t - r e p o r te d   o u t c o m e   m ea s u r es  ( PR O M)   o f   2 0   p at ie n ts   [ 1 6 ] .   I n   th e   p r o p o s ed   wo r k   to   m o n ito r   th tem p o r al  p r o g r ess io n   o f   g a it  r eh ab ilit atio n ,   weig h ted   co m p o s ite  ASI   is   co m p u ted   b y   co m b in in g   d i f f e r en k in etic   f ea tu r es.   Sin ce   ea ch   f ea tu r co n tr ib u tes  d if f er e n tly   to   o v e r all  g ait   s y m m etr y ,   ev id en ce - b ased   we ig h ts   wer ass ig n ed   to   r ef lect  th eir   r elativ b io m ec h an ical  i m p o r tan ce 0 . 3 5   f o r   PF ,   0 . 2 5   f o r   im p u ls e,   0 . 1 5   f o r   TTP ,   0 . 1 5   f o r   LR ,   an d   0 . 1 0   f o r   UR .   T h weig h ted   co m p o s it s co r is   co m p u ted   u s in g   ( 8 )   b y   tak i n g   th s u m   o f   p r o d u ct  o f   ASI   v alu o f   f ea tu r b y   its   co r r esp o n d in g   weig h t .   T h im p r o v e m en in   th s y m m etr y   is   q u an tifie d   b y   co m p u tin g   s ess io n   to   s ess io n   ch an g f r o m   th c o n s ec u ti v s ess io n s   u s in g   a   s lid in g   win d o ap p r o ac h   u s in g   ( 9 ) .   T h ( 1 0 )   is   u s ed   to   co m p u te  th o v er all  im p r o v em en t in   th g ait  f r o m   th e   co m p o s ite  ASI   v alu es o f   t h i n itial a n d   f in al  s ess io n .          = = 1   ×       ( 8 )      ( ) =  ( + 1 )  ( )   ( 9 )                =   (       |    | ) × 100   ( 1 0 )     I n   ( 8 ) ,      i s   t h e   c o m p o s i t e   AS I   f o r   t h e   i th  s a m p l e ,       r e p r e s e n ts   t h e   A S I   v a l u e   o f   j th   f e a t u r e   f o r   t h e   i th   s a m p l e ,     is   t h w e i g h a s s i g n ed   t o   t h e   j th   s a m p l e ,   a n d   t h e   s u m m a t i o n   r u n s   o v e r   al l   f ea t u r e s .   I n   ( 9 ) ,    ( )   r e p r e s e n t s   t h e   c h a n g e   i n   A S I   f o r   t h e   f e a t u r e   f   b e t w e e n   c o n s e c u t i v e   s e s s i o n s    ( + 1 ) ,  ( )   a t   s e s s i o n s   + 1   a n d     r e s p e c ti v e l y .   I n   ( 1 0 ) ,        ,         d e n o t e   t h e   f i r s t   a n d   l a s t   s e s s i o n   c o m p o s i t e   A S I   v a l u es   o f   e a c h   p a t ie n t .   I t   m e a s u r e s   t h e   p e r c e n t a g e   d e c r ea s e   i n   t h e   a s y m m e t r y   o v e r   ti m e.     2 . 4 .     Dee lea rning   cla s s if ica t io n m o del   T h lo ca s eq u e n tial  p atter n s   ar ca p tu r ed   u s in g   DL   m eth o d s   lik C NN,   C NN - L STM ,   an d   o t h er   h y b r id   m o d els  b ased   o n   GR tim s er ies  d ata  f o r   g ait  class if icatio n ,   an d   to   p r ed ict  th im p r o v em e n af te r   r eh ab ilit atio n .   T h r esu lts   ar ex p lain ed   u s in g   th la y er - wis e   r elev an ce   p r o p a g atio n   to o l.   I n   r ec en t   s tu d ies ,   th e   v er tical  GR i s   esti m ated   f r o m   I MU s ,   2 v id eo   u s in g   ML   f o r   th ass ess m en o f   th g ait  o u ts id th lab   an d   to   tr ac k   th lo n g itu d in al  r eh a b ilit atio n   [ 1 7 ] [ 1 9 ] .   T h is   s tu d y   u s ed   th C NN - L STM - atten tio n   h y b r id   class if ier s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t   20 26 :   3 6 2 5 - 3 6 3 6   3628   an d   ev al u ated   to   au to m ate  t h e   class if icatio n   o f   r eh a b ilit atio n   o f   o u tco m es  b ased   o n   th eir   ca p ac ity   to   a n aly ze   th tem p o r al  ASI   s eq u e n ce s .   T h m ath em atica l u n d er p i n n in g s   f o r   th ese  m o d els ar e   as f o ll o ws.     2 . 4 . 1 .   T he  CNN - L S T M - a t t ent io n hy brid m o del   T h is   h y b r i d   ap p r o ac h   en ab les   th m o d el  to   r ec o g n ize   co m p lex   g ait  p atter n s   o v er   tim e,   ca p ab ilit y   th at  d is tin g u is h es its   p er f o r m a n ce .   Alg o r ith m f o r war d   p r o p a g atio n   f o r   th C NN - L STM   h y b r i d   DL   m o d e l .   i)   Mo d el  in p u t:  in   ( 1 1 )   wh e r n   is   th b atch   s ize,   d   is   th n u m b er   o f   tim s tep s   ( e. g . ,   r eh ab ilit atio n   s ess io n s ) ,   an d   1   r ep r esen ts   th n u m b e r   o f   ch an n els ( u n iv ar iat ASI   tim s er ies) .     × × 1   ( 1 1 )     ii)   T h p r o ce s s in g   o f   i n p u t   o f   ( 1 1 )   in to   p r ed ictio n   ŷ   is   d ef in ed   b y   th e   f o llo win g   s eq u en ce   o f   m ath em atica l o p er atio n s .     Step   1 f ea tu r e x tr ac tio n   v ia  1 co n v o l u ti on .   I n   ( 1 2 )   an d   ( 1 3 )   ( ) 1 ×   is   th k th   co n v o lu tio n   f ilter ,     is   th b ias  f o r   f ilter   k ,   k =1 , 2 ,   3 …. . . , 3 2   f ilter s ,   a n d   C   =1   m ea n s   it  r ed u ce s   to   a   lin ea r   tr an s f o r m   with   r ec tifie d   lin ea r   u n it  ( R eL U ) .   T h is   ex tr ac ts   th lo ca f ea tu r e   r ep r esen tatio n   f o r   ea ch   tim s tep .     , , = , ( ) , + , + 1 = 0 = 1   ( 1 2 )     × × 32   ( 1 3 )       Step   2 d im en s io n ality   r ed u ctio n   v ia  m ax   p o o lin g ,   m ax   p o o l in g   1 with   p o o lin g   s ize   =2   s ca n s   th e   tem p o r al  f ea tu r m ap   two - ti m s tep s   at  a   tim an d   k ee p s   o n ly   th s tr o n g est  ac tiv atio n   f o r   ea ch   ch an n el ,   a n d   th is   r ed u ce s   th s eq u en ce   len g th   is   s h o wn   in   ( 1 4 ) .   W h er T =d / 2 .     , , = ma x ( , 2 , , , 2 + 1 , ) × × 32   ( 1 4 )       Step   3 L STM   f ea tu r ex tr ac tio n .   T h L STM   is   u s ed   to   ex tr ac lo n g - ter m   d ep e n d en cies  an d   tem p o r al  ev o lu tio n   o f   r eh ab il itatio n   o u tco m es  u n d er   m u lti p le  s ess io n s   u s in g   ( 1 5 )   to   ( 2 1 ) .   W h er e   32   is   th h id d en   s tate,   32   is   th c ell  s tate,     r ep r esen ts   elem en t wis m u ltip licatio n ,   an d     d en o te  th s ig m o id   ac tiv a tio n .     = ( [ 1 ; ] + )   ( 1 5 )     = ( [ 1 ; ] + )   ( 1 6 )     ̃ = ta n h ( [ 1 ; ] +   ( 1 7 )     = 1 + ̃   ( 1 8 )     = ( [ 1 ; ] + )   ( 1 9 )     = ta n h ( )   ( 2 0 )     = [ 1 , 2 , . ] × × 32   ( 2 1 )       Step   4 atten tio n ,   lin ea r   p r o jectio n s   ar = , = , = .   W h er , , 32 × 32 T h s im ilar ity   s co r b etwe en   q u er y   at  tim estep   an d   k ey   at   s tep   is   g iv en   b y    = 32 .   Fo r   ea ch   tim estep     th s co r es  1 , 2 , .    in to   p r o b ab ilit ies  th at  s u m   to   1 .   I n   ( 2 2 )   ,   r ep r esen ts   h o w   m u ch   tim estep     co n tr ib u tes to   th tim estep   .     , = ex p (  ) ex p (  ) = 1   ( 2 2 )       Fin ally ,   th tim estep   I   b ec o m th weig h ted   s u m   o f   all    v e cto r s   u s in g   atten tio n   weig h ts     an d   is   s h o wn   in   ( 2 3 ) .     =  × × 32 = 1   ( 2 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ymm etry in d ex - b a s ed   g a it imp r o ve men t p r ed ictio n   u s in g   a   C N N - LS TM   …  ( P u s h p a la th a   Ob a n n a )   3629     Step   5 tr an s itio n   to   f u lly   co n n ec ted   lay er s   ( Flatten ) ,   in   ( 2 4 )   is   u s ed   to   r esh ap th e   m u ltid im en s io n al  f ea tu r m ap   g en er ated   b y   p r ev io u s   lay er   in to   o n l o n g   v ec to r   f o r   ea c h   s am p le.     =  ( , ( , × 32 ) ) × 1600   ( 2 4 )       Step   6 d r o p o u t,  in   th is   lay er   r eg u lar izatio n   tech n iq u e   is   ap p lied   to   r ed u ce   o v er f i ttin g   b y   d is ab lin g   a   p o r tio n   o f   n e u r o n s   d u r in g   tr ain in g   u s in g   ( 2 5 ) ,   d r o p o u t = 0 . 4   an d   k ee p   p r o b ab ilit y   =0 . 6 .     = 0 . 6 ,                         ( 0 . 6 )   ( 2 5 )       Step   7 h ig h - le v el  r ea s o n in g   v ia  f u lly   c o n n ec te d   ( Den s e)   l ay er s ,   th e   n o n lin ea r   c o m p o s itio n   o f   ex tr ac ted   f ea tu r es  is   lear n b y   p r o ce s s in g   th f latten ed   v ec t o r   u s in g   o n o r   m o r d e n s lay er s .   T h ( 2 6 )   r ep r esen ts   f latten e d   in p u f r o m   th e   p r ev i o u s   s tep .   W h er ( 1 ) 32 × ( 32 )   is   th weig h t   m atr ix   an d   ( 1 ) × 32   is   th b ias v ec to r .     =  ( ( 1 ) + ( 1 ) )   ( 2 6 )       Step   8 o u tp u t r eg r ess io n   lay e r ,   th o u t p u t la y er   p r ed icts   th ASI   u s in g   ( 2 7 ) .     ̂ = ( (  )   + (  ) ) × 1   ( 2 7 )       3.   M E T H O D   3 . 1 .     P r o po s ed  m o del a rc hite ct ure   T h e   m o d el   s y n e r g is t ica ll y   c o m b in es   t h e   s t r en g t h s   o f   C NNs   f o r   l o ca l   te m p o r al   p att er n   e x t r a cti o n   a n d   f u ll y   co n n e ct ed   n et wo r k s   f o r   non - li n e ar   c lass i f i ca t io n ,   en a b li n g   r o b u s an al y s is   o f   te m p o r al   g ait   s y m m e tr y   p at te r n s   f o r   p r e d i cti n g   r e h a b il i tati o n   o u t c o m es.   Fi g u r e   1   d esc r i b es   t h e   s u g g est ed   C N N - L ST M - a tte n t io n   m o d el   to   b e   u s e d   i n   f e at u r e x t r a cti o n   a n d   s e q u e n ti al  le ar n i n g .   T h wo r k f lo s t ar ts   wi th   ASI   in p u d at w h i c h   is   p ass ed   in to   th e   c o n v o l u t io n al   l ay er s   w h er e   l o c al   s e q u e n ti al   p atte r n s   a r e   ex tr ac te d .   T h e   e x t r a cte d   c h a r ac t er is ti cs   ar c o n v e y e d   t o   L ST l ay e r s   t h a a ll o l ea r n i n g   d e p e n d e n c ies  an d   s e q u e n ce   m o d el s   ac r o s s   ti m e .   T h e   atte n t io n   l a y e r   ass i g n s   we ig h ts   t o   t h e   f e at u r es   f o r   b et te r   m o d el   p r ed icti o n .   Fo r   c lass i f i ca t io n   o r   p r e d ic ti o n ,   t h e   o u t p u t l a y e r   co m es   a f t er   t h e   f u lly   c o n n ec te d   la y e r s ,   w h i ch   a g g r e g at e   th p r e v i o u s l y   o b ta in e d   r e p r es en tat io n s .           Fig u r 1 .   C NN - L STM   m o d el  ar ch itectu r e       3 . 2 .     Sy s t e m   wo r k f lo w:   o v er v iew  a nd   s y s t em   wo rk f l o w   T h Fig u r 2   s h o ws  th g ait  a n aly s is   d u r in g   r eh ab ilit atio n .   Her th p r o ce s s ed   GR d ata  is   co llected   an d   th u n wan te d   n o is was  f ilter ed   an d   is   s tan d ar d ized   th m ea s u r em en ts   in   th GaitR ec   d ataset.   T h e   h ea lth y   c o n tr o l   r elate d   d ata  a n d   th e   p atien t   with   s in g le   s ess io n   ar r em o v ed   f r o m   th e   d a taset.  T h af f ec ted   an d   u n af f ec te d   s id is   m a p p e d   f r o m   th e   GR m etad ata  d at aset.  T h en   th e   b io m ec h an ical   k in etic  f ea tu r es  lik e   PF ,   T T P,  i m p u ls e,   L R ,   UR   ar co m p u ted   f o r   b o th   th li m b s .   T h ASI   is   c o m p u te d   f r o m   th ese  f ea t u r es   b etwe en   two   lim b s .   T h co m p o s ite  ASI   is   d eter m in ed   b y   ass ig n in g   weig h ts   to   th f ea tu r es.  T h m o d el   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t   20 26 :   3 6 2 5 - 3 6 3 6   3630   p er f o r m s   lo n g itu d in al  tr ac k i n g   f r o m   s ess io n   to   s ess io n   an d   if   th asy m m etr y   is   r ed u ce d   b y   at  least  3 0 f r o m   in itial  to   f in al  s ess io n   v alu es,  t h en   th e   g ait  is   r ec o v er ed   an d   t h at  is   th en d   o f   r e h ab ilit atio n .   I f   n o t,   th p atien t   will b s u g g ested   f o r   n ex t ses s io n .           Fig u r 2 .   W o r k f lo o f   g ait  an aly s is   d u r in g   r eh ab ilit atio n   u s in g   th p r o ce s s ed   GaitR ec   d ataset       3 . 3 .     E x perim ent a l   s et up   3 . 3 . 1 .   Da t a s et   des cr iptio n   T h is   r esear ch   wo r k   lev er ag es  th GaitR ec   d ataset,   a   co m p r e h en s iv an d   o p en   s o u r ce   f o r   h u m an   g ait  an aly s is ,   to   in v esti g ate  o b je ctiv r eh ab ilit atio n   o u tco m es   in   p atien ts   with   lo wer   lim b   f r ac tu r es.  As    lar g e - s ca le  d ataset,   it  co n tain s   7 5 , 7 3 2   b ilater al  walk in g   tr ial s   o f   2 , 0 8 4   p atien ts   with   d if f er en m u s cu lo s k eleta im p air m en ts .   T h e   af f ec ted   lim b   was  id en tifie d   f o r   ea ch   p atien u s in g   th e   GR F_ m etad ata. csv   f ile,   wh er e   a   v alu o f   ' 0 '   in d icate s   lef af f ec ted   leg ,   ' 1 '   in d icate s   r ig h af f ec ted   leg ,   an d   ' 2 '   s ig n if ies  b ilater al  f r ac tu r e.   T h d ataset  co m p r is es  g ait  r ec o r d s   f r o m   p atien ts   with   f r ac t u r es  class if ied   in to   f o u r   g r o u p s ca lcan eu s ,   an k le,   h ip ,   an d   k n ee .   T h is   r ec o r d   u s es  th d ata  co llected   d u r in g   t h co m p lete  r eh ab ilit atio n   s ta y   o f   p atien ts   v ar ies  f r o m   wee k s   to   m o n th s .   T h ef f ec o f   n o is is   r e d u ce d   b y   u s in g   2 n d   o r d er   B u tter wo r t h   L PF   with   c u to f f   f r eq u e n cy   2 0   Hz  is   u s ed   with   am p litu d an d   tim n o r m aliza tio n .   T h tim is   n o r m alize d   to   1 0 1   d ata  p o in ts wh ich   r ed u ce s   tem p o r al  d if f e r en ce s   an d   allo ws  co m p ar ativ e   an aly s is   o f   d iv er s s tep s .   T h is   r o b u s d ataset  is   well - s u ited   f o r   ML  m in in g   ap p licatio n s   aim ed   at  ca teg o r izi n g   s p ec if ic  g ait  p atter n s   an d   t r ac k in g   f u n ctio n al   r ec o v er y   o v er   tim e.   T h tr ai n - test   s p lit  f o llo ws  th p r ed e f i n ed   s p lit  p r o v id e d   in   t h GR F_ m etad ata. csv   f ile.     I t is in   th r atio   7 0 :3 0   f o r   wo r k .   T h s u b ject - wis e   s p litt in g   is   u s ed   in   th p r o p o s ed   wo r k .     3 . 3 . 2 .   Da t a   prepro ce s s ing   T h p r o p o s ed   wo r k   u tili ze d   th p r o ce s s ed   v er tical  GR d ata  f iles   f r o m   th GaitR ec   d ata s et,   wh ich   h ad   alr ea d y   u n d er g o n d e n o is in g ,   s eg m en tatio n ,   an d   n o r m a lizatio n   as  p ar o f   th d ataset's  o f f icial  p r o to c o l.   T h d ataset  c o n tain s   1 0 1   s am p les  o f   v er tical  GR v alu es  f o r   ea ch   p atien t,   ex clu s iv ely   r ep r esen tin g   th e   s tan ce   p h ase  o f   th e   g ait  c y cle  [ 2 0 ] .   I was  o b s er v ed   th at  t h cl ass   d is tr ib u tio n   o f   th e   d atase was  u n b ala n ce d .     T o   ad d r ess   th is ,   d ata  b ala n cin g   p r o ce d u r was  p er f o r m e d ,   wh ich   in v o lv ed   r em o v in g   h ea lth y   c o n tr o l   d ata  an d   s u b jects with   o n ly   s in g l r ec o r d e d   s ess io n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ymm etry in d ex - b a s ed   g a it imp r o ve men t p r ed ictio n   u s in g   a   C N N - LS TM   …  ( P u s h p a la th a   Ob a n n a )   3631   T h B o r d er li n s y n th etic   m in o r ity   o v er s am p lin g   tech n i q u ( SMOT E )   is   an   o v er s am p lin g   tech n iq u f o cu s s es  th in s tan ce s   n ea r   th d ec is io n   b o u n d ar ies  an d   g e n er ates  th s y n th etic  s am p les  f o r   m in o r ity   class es  to   b alan ce   th class   d is tr ib u tio n   o f   th d ataset.   T h m in o r ity   class   s am p les th at  ar s u r r o u n d ed   b y   th m ajo r ity   class   n eig h b o r s   th at  ar lik e ly   to   b m is class if ied   ar id en tifie d   b y   t h B o r d er lin S MO T E   alg o r ith m .   I s y n th esizes  th n ew  s am p l es  b y   in co r p o r atin g   b etwe en   t h m in o r ity   s am p les  an d   n eig h b o r s   an d   e n r ich es   th d ec is io n   b o u n d ar y .   T h s y n th etic  s am p les    ar g e n er ated   u s in g   th m in o r ity   s am p le  an d   o n e   o f   t h e     k - n ea r est  n eig h b o r s     is   s elec t ed   f r o m   t h m in o r ity   class   an d   is   g iv en   b y   ( 2 8 ) .   W h er λ   [ 0 ,   1 ]   r ep r esen ts   r an d o m   s ca le.   So ,   th e   lo ca s tr u ctu r o f   t h m in o r ity   class   is   s av ed   an d   th n ew  s am p les  r esid es  alo n g   th lin e   s eg m en t b etwe en     an d   .     = + . ( )   ( 2 8 )     3 . 3 . 3 .   I m plem ent a t i o n det a ils   All  co m p u tatio n al   ex p e r im en t s   co n d u cte d   u s in g   Py th o n   3 . 1 0 ,   C PU  o f   2 . 4   GHz ,   T e n s o r Flo o f   2 . 1 5   with   Nu m Py ,   Pan d as.  T h ar ch itectu r was  im p lem en te d   u s in g   Ker as  h ig h   lev el  A PIs.  T h p r o p o s ed   ar ch itectu r u s ed   1 c o n v o lu t io n al  lay er   ( 3 2   f ilter s ,   k er n el  s ize  =1 ,   R eL U   ac tiv atio n )   an d   L STM   lay er   with   3 2   u n it.  T h atten tio n   m ec h a n is m   is   u s ed   to   ass ig n   ad ap ti v weig h ts   to   v a r io u s   tim s tep s   an d   allo ws  th e   m o d el  to   co n ce n tr ate  m o r th s ess io n s   th at  co n tr ib u tes  to war d s   im p r o v em e n t.  T h o u tp u o f   atten tio n   lay e r   is   f latten ed   a n d   p ass ed   th r o u g h   d e n s lay er   o f   3 2   u n its   with   R eL U   ac tiv atio n .   d r o p o u t   lay er   o f   r ate  0 . 4   is   u s ed   to   e n h an ce   th g en er aliza tio n .   T h e   o u t p u lay e r   s ig m o id   is   u s ed   f o r   b i n ar y   p r ed ictio n   wh eth er   th e   p atien t   g ait  is   im p r o v e d   o r   n o t.  An   A d am   o p tim izer   with   th e   lear n i n g   r ate  o f   0 . 0 0 0 1   an d   b in ar y   c r o s s   en tr o p y   lo s s   is   u s ed   to   tr ain   th m o d el  en s u r e s   s tab le  co n v er g en ce .   T h tr ai n in g   was p er f o r m ed   with   b at ch   s ize  o f   3 2   f o r   2 5   ep o ch s   u s in g   E ar l y   s to p p in g   with   p atien ce   o f   1 0   t o   av o i d   o v er f itti n g .   T h z - s co r n o r m aliza tio n   is   u s ed   s tan d ar d ize  all  th f ea tu r es a n d   th d ata  s p litt in g   is   d o n s u b ject  wis to   av o id   d ata  leak a g e   ac r o s s   s ess io n s .       4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   I n   th p r o p o s ed   s y s tem ,   th k in etic  f ea tu r es  ar ex tr ac te d   f r o m   th GR d ata  f o r   b o th   le f an d   r ig h t   lim b   f o r   m u ltip le  s ess io n s   an d   th co m p o s ite  ASI   is   co m p u t ed   f o r   ea ch   s ess io n .   T h e   p atie n ts   with   at  least  two   s ess io n s   ar co n s id er ed   f o r   an aly s is .   T h ASI   d ata  o f   th k i n etic  f ea tu r es  ar f ed   t o   th p r o p o s ed   s y s tem .   T h e   m o d el  p er f o r m s   lo n g itu d in al   tr ac k in g   o f   3 r ed u ctio n   in   asy m m etr y   f r o m   s ess io n   to   s ess io n .   I f   th e   p er ce n tag o f   r ed u ctio n   in   th asy m m etr y   is   g r ea ter   th an   o r   e q u al  to   3 0 % f r o m   in itial to   f in al  s es s io n ,   th en   th e   o v er all  s tatu s   o f   g ait  is   co n s id er ed   as  im p r o v ed   o r   n o t   im p r o v ed .   T ab le   1   s h o ws  th e   in itial  an d   f in al   s ess io n   co m p o s ite  ASI   v alu es,  th p er ce n tag o f   r ed u ctio n   in   th e   asy m m etr y ,   an d   th o v er all   s tatu s   o f   th g ait  wh eth er   it is   im p r o v e d   o r   n o t i m p r o v e d .       T ab le  1 .   T h in itial ses s io n   an d   f in al  s ess io n   ASI   v alu es with   o v er all  s tatu s   S u b j e c t _ I D   I n i t i a l   s e ssi o n   c o m p o s i t e   A S I   F i n a l   s e ssi o n   c o m p o si t e   A S I   A sy mm e t r y   r e d u c t i o n   p e r c e n t a g e   O v e r a l l _ s t a t u s   S 0 1   1 9 . 8 2   8 . 9 8   5 4 . 6 9 %   I mp r o v e d   S 0 2   3 8 . 4 3   2 2 . 3 9   4 1 . 7 2 %   I mp r o v e d   S 0 3   3 5 . 2 3   2 8 . 0 9   2 0 . 2 8   N o t   i m p r o v e d   S 0 4   2 0 . 7 8   1 3 . 5 6   3 4 . 7 4   I mp r o v e d   S 0 5   3 3 . 0 2   2 2 . 5 7   3 1 . 6 3   I mp r o v e d       Fig u r 3   illu s tr ates  th r elatio n s h ip   b etwe en   th ac tu al  ASI   im p r o v em e n co m p u ted   f r o m   p atien g ait  d ata  an d   th p r o p o s ed   m o d el - p r ed icted   ASI   im p r o v e m en b etwe en   th in itial  a n d   f in al  s ess io n   o f   r eh ab ilit atio n .   E ac h   p o in t in   th p lo t r ep r esen ts   o n r eh ab ilit atio n   s u b ject.   lin ea r   tr en d   is   o b s er v ed   alo n g   th d iag o n al  d i r ec tio n ,   in d icatin g   th m o d el  p r ed ictio n s   clo s ely   m atch   th ac tu al  im p r o v em e n v alu es d em o n s tr atin g   s tr o n g   m o d el  a cc u r ac y   an d   g e n er aliza b ilit y .   Fig u r 4   illu s tr ates  th m o d el’ s   p r ed ictiv e   im p r o v em en t   ac r o s s   th f ir s 2 0   p atien ts   with   th ac tu al   im p r o v em e n p e r ce n tag es  with   th p r ed icted   v alu es  d er i v ed   f r o m   GR F - b ased   f ea tu r es.   T h g r o u n d   tr u th   im p r o v em e n is   s h o wn   b y   th b lu lin e,   an d   th m o d el’ s   o u tp u is   s h o wn   b y   th o r a n g lin e.   T h clo s alig n m en o f   two   c u r v es  s h o ws  s tr o n g   p r ed ictiv f id elity ,   with   m in im al  d ev iatio n   in   t h ca s o f   m o d e r ate   im p r o v em e n t.  T h is   v is u al  co m p ar is o n   s u p p o r ts   th e   m o d e l’ s   clin ical  ap p licab ilit y   f o r   in d iv id u alize d   g ait   r ec o v er y   ass ess m en t.   Fig u r 5   s h o ws  th co n f u s i o n   m atr ix   th at  illu s tr ates  th m o d el’ s   class if icatio n   p er f o r m an ce   in   p r ed ictin g   th s tatu s   o f   th e   r eh ab ilit atio n   im p r o v e m en a m o n g   lo wer   lim b   f r ac tu r e   p atien ts .   T h m o d el   co r r ec tly   id en tifie s   2 4 2   p atien ts   as  im p r o v ed   an d   2 9 4   p atie n ts   as  n o im p r o v ed .   T h m is class if icatio n   r ate  i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t   20 26 :   3 6 2 5 - 3 6 3 6   3632   v er y   lo w;  1 0   p atien ts   ar id en tifie d   as  f alse  n eg ativ es  an d   6   p atien ts   as  f alse   p o s itiv es.  T h m o d el  ca p tu r e s   g ait  r ec o v er y   p atter n s   with   h ig h   ac cu r ac y   an d   m ain tain s   b ala n ce d   s en s itiv ity   an d   s p ec if icit y .           Fig u r 3 .   Pre d icte d   ASI   im p r o v em en t v er s u s   ac tu al  ASI   im p r o v em en t           Fig u r 4 .   Mo d el  p r e d ictiv im p r o v em e n t a cr o s s   th f ir s t 2 0   p atien ts           Fig u r e   5 .   C o n f u s io n   m atr i x   s h o win g   m o d el  class if icatio n   p er f o r m a n ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       S ymm etry in d ex - b a s ed   g a it imp r o ve men t p r ed ictio n   u s in g   a   C N N - LS TM   …  ( P u s h p a la th a   Ob a n n a )   3633   T h m o d el s   class if icatio n   m etr ics o f   th p r o p o s ed   s y s tem   ar co m p u te d   u s in g   ( 2 9 )   to   ( 3 2 ) .       = + + +  +    ( 2 9 )       = +    ( 3 0 )       = +    ( 3 1 )     1  = 2 ×     +      ( 3 2 )     T h p r o p o s ed   s y s tem   r eg r ess io n   m etr ics ar co m p u ted   u s in g   th ( 3 3 )   to   ( 3 5 ) .       = 1 ( ̂ ) 2 = 1   ( 3 3 )     = 1 | ̂ | = 1   ( 3 4 )     W h er   is   th ac tu al  tar g et  v al u e,   ̂   is   th m o d el  p r e d icted   v al u e ,   an d   is   th n u m b er   o f   test   s am p les.     2 = 1 ( ̂ ) 2  = 1 ( ̅ ̅ ̅ ) 2  = 1   ( 3 5 )     W h er ( ̂ ) 2 = 1   is   th r esid u al  s u m   o f   s q u ar es,  ( ̅ ) 2 = 1   is   th to tal  v ar ian ce   an d   ̅   is   th m ea n   o f   th e   to tal  ac t u al  v al u es.  T h e   2 = 1   r ep r esen ts   p e r f ec p r ed ictio n ,   2 = 0   in d icate s   th e   m o d el   is   n o   b etter   th an   p r e d ictin g   th m ea n   an d   2 < 0   r ep r esen ts   is   wo r s th an   p r e d ictin g   th m ea n .   Fig u r 6   s h o ws  th e   r e g r ess io n   m o d el  lear n in g   b e h av io r s   o f   tr ain in g   a n d   v alid atio n   lo s s   in   F ig u r 6 ( a)   an d   m ea n   ab s o lu te  er r o r   ( MA E )   cu r v es  in   F ig u r 6 ( b )   ac r o s s   2 5   ep o ch s .   Her e ,   b o th   th l o s s   an d   MA E   p lo ts   ar d ec r ea s in g   m o n o to n ically   with   th in cr ea s in g   e p o ch s ,   in d icatin g   s tab le  an d   ef f e ctiv lear n in g .   T h e   v alid atio n   cu r v es  clo s ely   f o ll o an d   r em ain   b elo th tr a in in g   cu r v es,  d em o n s tr atin g   g o o d   g e n er aliza tio n   an d   ab s en ce   o f   o v er f itti n g .   T h s m o o th   co n v er g e n ce   o f   b o th   m etr ics  co n f ir m s   th at   th m o d el  lear n s   d is cr im in ativ p atter n s   f r o m   t h d ata  an d   ac h iev es  r eliab le  p r ed ictiv p er f o r m an ce .   T h e   r eg r ess io n   m etr ics   lik r o o t   m ea n   s q u ar e   er r o r   ( R MSE )   o f   1 . 0 9 ,   MA E   o f   0 . 6 4 ,   an d   R 2   s co r o f   0 . 9 8   ar e   o b tain ed   f r o m   th e   p r o p o s ed   m o d el.   T h class if icatio n   m etr ics  o f   th p r o p o s ed   s y s tem ,   lik ac cu r ac y   o f   9 7 . 1 %,  r ec all  o f   0 . 9 6 0 ,   p r ec is io n   o f   0 . 9 7 6 ,   a n d   F1 - s co r o f   0 . 9 6 8 ,   ar o b tain ed .           ( a)   ( b )     Fig u r 6 .   L ea r n in g   cu r v es o f   t h r eg r ess io n   m o d el   of   ( a)   l o s s   an d   ( b )   MA E       Fig u r 7   illu s tr ates th lo n g itu d in al  p r o g r ess io n   o f   t h co m p o s ite  ASI   f o r   s u b ject  S0 4   ac r o s s   m u ltip le  g ait  s ess io n s .   T h b lu m ar k e r s   s h o s ess io n - wis ASI   ch an g es,  in d icatin g   th p atien t’ s   r ec o v er y   tr ajec to r y   o v er   tim e.   T h g r ee n   p o in ts   h ig h lig h t   s ess io n s   wh er a   3 r ed u cti o n   i n   ASI   f r o m   t h p r e v io u s   s ess io n   r ef lects  m ea s u r ab le  im p r o v e m en in   g ait  s y m m etr y ,   wh er e as  th r ed   d ash ed   lin r ep r esen ts   th 3 clin ical   th r esh o ld   u s ed   to   id en tif y   m e an in g f u p r o g r ess .   Ov er all,   th d o wn war d   tr en d   in   ASI   v alu es  d em o n s tr ates  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t   20 26 :   3 6 2 5 - 3 6 3 6   3634   co n s is ten r ed u ctio n   in   asy m m etr y ,   s ig n if y in g   f u n ctio n al  r ec o v er y   an d   en h a n ce d   g ait  s y m m etr y   th r o u g h o u th r eh ab ilit atio n   p er io d .   T h wea r ab le   s en s o r s   ar e   in teg r ated   with   th ML   to   p r ed ict  f r ac tu r h ea lin g .   T h e   co n tin u o u s   u n d er f o o d ata  was  p r o ce s s ed ,   an d   th f ea tu r es  ar e x tr ac ted   u s in g   l o g ic  r e g r ess io n   class if ier .   T h e   class if icatio n   m etr ics  ar o b tai n ed   f r o m   th e   m o d el  [ 2 1 ] .   T h d ep th   v i d eo s   an d   p r ess u r d at ar u s ed   f r o m   th o n lin d ataset  th at  co m p r is es  3 0   h ea lth y   s u b jects  p er f o r m in g   s ev en   r eh ab ilit atio n   ex er cis es  u s in g   3 C N N   class if ier   an d   ac h iev e d   class if icatio n   ac cu r ac y   o f   9 5 . 7 1 %.  On ly   th class if icatio n   m etr ics   ar ex t r ac ted   f r o m   th m o d el  [ 2 2 ] .   T h e   r e h ab ilit atio n   o u tco m es  th at   ar e   ess en tial  f o r   th clin ical   d ec is io n   a r p r e d icted   u s in g   C NN  an d   an   R NN  cla s s if ier   u s in g   clin ician - r ep o r ted   o u tco m m ea s u r es  ( C R OM )   an d   P R OM .   T h r eg r ess io n   m etr ics  an d   class if icat io n   m etr ics  ar b o th   ex tr ac ted   f r o m   t h m o d el.   T h F1 - s co r is   im p r o v e d   b y   9 an d   1 2 r ed u ctio n   is   MA E   co m p ar ed   to   tr ad itio n al   ML   m eth o d s   [ 2 3 ] .   I n   th e   lo n g itu d in al  s t u d y ,   th d ata  wer e   co llected   f r o m   t h GR cu r v o f   1 3   tib ial  f r ac tu r e   p atien t s .   T h c o m p o s ite  ASI   is   u s ed   as  ta r g et  f o r   th e   m o d el.   T h m o tio n   ca p tu r e   an d   f o r ce   p late  ar u s ed   to   r ec o r d   th d ata  an d   th e   r eg r ess io n   m etr ics    s u ch   as  R M SE,   MA E   an d   R 2   ar ex tr ac ted   [ 2 4 ] .   x L STM   an d   L ag - L lam m o d el  ar ch itectu r is   u s ed   to   tem p o r al  s er ies  an aly s is   o f   lo wer   lim b   r eh ab ilit atio n   f o r   th p o s s tr o k p atien ts   in   th lim b   r ec o v er y ,   an d   ex tr ac ted   th R MSE   an d   MA E   f o r   d y n am ic  n eu r o m u s cu lar   s tab ilizatio n   ( DNS)   g ait  an d   u p p er - lim b   s u p p o r ted   ( UPS)  g ait.   T h R 2   o f   0 . 7 2   is   ac h iev ed   f r o m   th is   m o d el  [ 2 5 ] .   T ab le  2   co m p ar es  th p er f o r m a n ce   m etr ics  o f   C NN - L STM - atten tio n   h y b r id   m o d el  with   t h ex i s tin g   tr ad itio n al  a r ch itectu r es.   T ab le  3   s h o ws  th e   5 - f o ld   cr o s s - v alid atio n   r esu lt  o f   o u r   m o d el.   T h m ea n s   o f   R MSE ,   MA E ,   an d   R 2   o b tai n ed   f r o m   th is   5 - f o ld   cr o s s - v alid atio n   ar 1 . 4 3 9 3 ,   0 . 8 8 1 9 ,   an d   0 . 9 7 7 3   a n d   a r v er y   clo s to   th s in g le - tim ex ec u tio n   r esu lt.           Fig u r 7 .   L o n g itu d in al  tr en d s   o f   co m p o s ite  ASI   f o r   s u b ject  S0 4       T ab le  2 .   C o m p a r is o n   o f   p r o p o s ed   wo r k   with   ex is tin g   m o d els   R e f e r e n c e   M o d e l   t y p e   Ta r g e t   R M S E   M A E   R 2   A c c u r a c y   ( %)   F1 - s c o r e   ( %)   P r e c i s i o n   ( %)   R e c a l l   ( %)   P r o p o se d   w o r k   C N N + LST M + a t t e n t i o n   v G R F   1 . 0 9   0 . 6 4   0 . 9 8   9 7 . 1   9 6 . 8   9 7 . 6   96   [ 2 1 ]   L o g i s t i c   r e g r e ssi o n   G R F   f e a t u r e s   -   -   -   7 5 . 6   7 5 . 4   7 6 . 1   7 5 . 6   [ 2 2 ]   3 D   C N N   P r e ssu r e   d a t a   -   -   -   9 5 . 7 1   9 5 . 7 4   9 5 . 8 3   9 5 . 7 1   [ 2 3 ]   H y b r i d   C N N + R N N   P R O M   a n d   C R O M   -   4 . 2 5   0 . 8 7   8 4 . 2   86   88   85   [ 2 4 ]   M ( f o r c e   P l a t e )   C o m p o si t e   A S I   4 . 7 8   3 . 5 6   0 . 7 2   -   -   -   -   [ 2 5 ]   x LST M   a n d   La g - La mm a   D N S   g a i t   1 0 . 5 4   6 . 2 8   0 . 7 2   -   -   -   -   U P S   g a i t   1 2 . 2 8   7 . 5 4   -   -   -   -       T ab le  3 .   Fiv e - f o ld   cr o s s - v alid atio n   r esu lt   F o l d   R M S E   M A E   R 2   1   1 . 3 6 0 3 5 5   0 . 8 3 1 0 9 7   0 . 9 7 6 2 2 9   2   1 . 4 4 7 6 7 9   0 . 8 6 4 3 1 3   0 . 9 8 0 1 4 8   3   1 . 4 5 8 9 4 3   0 . 9 2 7 9 0 4   0 . 9 7 8 9 0 6   4   1 . 3 5 9 3 3 5   0 . 8 4 9 5 5 3   0 . 9 7 8 0 5   5   1 . 5 7 0 6 6 5   0 . 9 3 7 0 4   0 . 9 7 3 5 9 9   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.