مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارزیابی ناپایداری ایستایی در افراد کمردردی از طریق اندازه‌گیری مرکز فشار و شدت تمرین‌های ورزشی: یک رویکرد یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
10.48311/mme.2026.119233.82975
چکیده
سقوط یکی از نگرانی‌های اصلی در حوزه سلامت عمومی است، به‌ویژه برای افرادی که با کمردرد دست‌وپنجه نرم می‌کنند؛ چرا که این عارضه می‌تواند منجر به پیامدهای ناگوار جسمی شود. در حالی که تست‌های بالینی سنتی اغلب در تشخیص اختلال تعادل ناتوان هستند، شاخص‌های کمی مرکز فشار تصویر بسیار دقیق‌تری از وضعیت پایداری ارائه می‌دهند. ما می‌توانیم با ترکیب این ویژگی‌های مرکز فشار با شدت تمرینات ورزشی و بهره‌گیری از یادگیری ماشین پیشرفته، ابزاری قدرتمند برای پیش‌بینی و تحلیل مشکلات تعادلی در بیماران مبتلا به کمردرد ایجاد کنیم.

در این پژوهش، داده‌های مرکز فشار جمع‌آوری و ویژگی‌های کلیدی معرف پایداری قامت استخراج گردید. پس از انجام مراحل دقیق پیش‌پردازش و نرمال‌سازی، چندین مدل یادگیری ماشین از جمله رگرسیون لجستیک، جنگل تصادفی و ماشین بردار پشتیبان را برای طبقه‌بندی افراد در دو گروه تعادل پایدار و تعادل ضعیف مورد ارزیابی قرار دادیم.

نتایج نشان داد که این ساختارهای یادگیری ماشین در تفکیک دو گروه عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند. در میان ویژگی‌های استخراج‌شده از داده‌های مرکز فشار، شاخص‌های سرعت و دامنه جابه‌جایی به عنوان قوی‌ترین پیش‌بین‌های تعادل ضعیف شناخته شدند. مدل‌های ما از طریق اعتبارسنجی متقاطع لایه‌ای، به دقت و پایداری بالایی دست یافتند که چارچوبی موثر و قابل‌اعتماد را برای شناسایی نقص‌های تعادلی فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Assessing Postural Instability in Individuals with Low Back Pain Through Measurement of Center of Pressure and Sport Intensity: A Machine Learning Approach

نویسندگان English

Pourya Dorostkar Rouhani
Mahmood Azghani
Amin Partovifard
Mahrad Pouryosef Miandoab
Department of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده English

Falling is a major public health concern, especially for those dealing with low back pain, as it can lead to severe physical and psychological setbacks. While traditional clinical tests often miss the subtle nuances of balance impairment, quantitative Center of Pressure metrics offer a much clearer picture of stability. By combining these COP features with the right exercise intensity and advanced machine learning, we can create a more powerful tool for predicting and analyzing balance issues in patients with back pain.

In this study, we collected Center of Pressure data and extracted the key features defining postural stability. Following rigorous preprocessing and normalization, we evaluated several machine learning models specifically Logistic Regression, Random Forest, and Support Vector Machines to classify individuals with stable versus impaired balance.

The results demonstrated that these machine learning architectures performed exceptionally well in distinguishing between the two groups. Among the features extracted from the Center of Pressure data, velocity metrics and displacement amplitude emerged as the most potent predictors of poor balance. Through stratified cross-validation, our models achieved high accuracy and stability, providing an effective and reliable framework for identifying balance deficits

کلیدواژه‌ها English

Center of pressure
Physical Exertion
low back pain
Neural Networks
Computer
Postural Balance
[1]           K. F. Anthropometry, “Extraction of Foot Anthropometric Dimensions Using a Markerless 3D Scanner Based on Big Data Analysis in East Azerbaijan Province,” vol. 25, no. 03, pp. 155–161, 2025.
[2]           A. Partovi, M. Azghani, S. Jalali, E. Hazrati, and S. Asghari, “Modares Mechanical Engineering Effect of Athletic Status on Medial Longitudinal Arch ( MLA ) in Individuals Under 20 Years of Age,” vol. 25, no. 05, pp. 261–269, 2025, doi: 10.48311/MME.25.5.261.
[3]           A. J. Strang, A. DiDomenico, W. P. Berg, and R. W. McGorry, “Assessment of differenced center of pressure time series improves detection of  age-related changes in postural coordination.,” Gait Posture, vol. 38, no. 2, pp. 345–348, Jun. 2013, doi: 10.1016/j.gaitpost.2012.11.006.
[4]           A. Partovifard,  mahmood. R. Azghani, S. jalali, E. Hazrati, and S. Asghari, “Effects of Athletic Status on Plantar Pressure Distribution and Biomechanical Foot Health in Children and Adolescents,” 2025. doi: 10.1109/ICBME68496.2025.11392560.
[5]           A. Partovifard,  mahmood. R. Azghani, S. jalali, and S. Asghari, “Impact of Dynamic and Static Sports on Growth and Anthropometric Characteristics (Height, Weight, BMI) in Children and Adolescents,” 2025. doi: 10.1109/ICBME68496.2025.11392550.
[6]           T. Paillard, “Relationship Between Sport Expertise and Postural Skills.,” Front. Psychol., vol. 10, p. 1428, 2019, doi: 10.3389/fpsyg.2019.01428.
[7]           E. Zemková and Z. Kováčiková, “Sport-specific training induced adaptations in postural control and their  relationship with athletic performance.,” Front. Hum. Neurosci., vol. 16, p. 1007804, 2022, doi: 10.3389/fnhum.2022.1007804.
[8]           A. P. Fard, M. Azghani, S. Jalali, and S. Asghari, “Impact of Dynamic and Static Sports on Growth and Anthropometric Characteristics (Height, Weight, BMI) in Children and Adolescents,” in 2025 32nd National and 10th International Iranian Conference on Biomedical Engineering (ICBME), IEEE, 2025, pp. 895–901.
[9]           M. P. MIANDOAB, M. N. ASHTIANI, R. ABEDINI-NASSAB, and S. M. R. AKRAMI, “DETECTION OF KNEE OSTEOARTHRITIS BASED ON CENTER OF PRESSURE DATA AND THE BAT ALGORITHM,” J. Mech. Med. Biol., vol. 24, no. 03, p. 2350054, 2024, doi: 10.1142/S0219519423500549.
[10]         D. K. Y. Zheng et al., “Are changes in pain intensity related to changes in balance control in  individuals with chronic non-specific low back pain? A systematic review and meta-analysis.,” J. Sport Heal. Sci., vol. 14, p. 100989, Dec. 2025, doi: 10.1016/j.jshs.2024.100989.
[11]         S. Ansari and S. Sharma, “Steady or Swaying? Assessing the Reliability of the HUMAC Balance System in Athletes With Chronic Low Back Pain,” Sports Health, p. 19417381251334640, May 2025, doi: 10.1177/19417381251334638.
[12]         Z. Amerian, S. ShahAli, Z. S. Rezaeian, and S. Shanbehzadeh, “Dynamic postural control in women athletes with and without nonspecific low back  pain with high and low pain-related anxiety- A case-control study.,” BMC Sport. Sci. Med. Rehabil., vol. 15, no. 1, p. 149, Nov. 2023, doi: 10.1186/s13102-023-00764-7.
[13]         F. Rojas, I. K. Niazi, P. Maturana-Russel, and D. Taylor, “Exploring the Potential of Machine Learning for the Diagnosis of Balance Disorders Based on Centre of Pressure Analyses,” Sensors, vol. 22, no. 23. p. 9200, 2022. doi: 10.3390/s22239200.
[14]         J. Park, V. Q. Nguyen, R. L. M. Ho, and S. A. Coombes, “The effect of chronic low back pain on postural control during quiet standing: A  meta-analysis.,” Sci. Rep., vol. 13, no. 1, p. 7928, May 2023, doi: 10.1038/s41598-023-34692-w.
[15]         H.-L. Chan et al., “Deep Neural Network for the Detections of Fall and Physical Activities Using Foot Pressures and Inertial Sensing,” Sensors, vol. 23, no. 1. p. 495, 2023. doi: 10.3390/s23010495.
[16]         M. Rodríguez Márquez, E. D. Gutiérrez, J. S. Medina Álvarez, J. G. Milton, and J. L. Cabrera, “Machine learning forecasting of extreme fluctuations in a human balancing task,” Knowledge-Based Syst., vol. 280, p. 111000, 2023, doi: 10.1016/j.knosys.2023.111000.