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Evaluation and Classification of Sprinting-Induced Muscle Fatigue Using Surface Electromyography and Machine Learning Techniques - 06/03/26

Doi : 10.1016/j.irbm.2026.100936 
Md Asjad Raza a, b, Raghuram Karthik Desu b, , Sreejith Mohan a, Suthangathan Paramashivan Sivapirakasam a
a Orthopaedic Biomechanics and Motion Analysis Laboratory, Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Tiruchirappalli, Tamil Nadu, 620015, India 
b Computational Mechanics Laboratory, Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Tiruchirappalli, Tamil Nadu, 620015, India 

Corresponding author.

Abstract

Background and objective

Sprinting-induced fatigue significantly compromises neuromuscular performance and elevates the risk of injury. Accurate monitoring of muscle fatigue is essential for designing personalized training and rehabilitation strategies. This study presents a novel method that integrates hybrid feature extraction with interpretable machine learning to assess fatigue during dynamic contraction.

Methods

In this work, time–frequency methods, namely Stockwell Transform (S-transform), B-Distribution (BD), and Extended Modified B-Distribution (EMBD), were applied to distinguish dynamic muscle fatigue states. Surface electromyography (sEMG) signals were recorded from the lower limb muscles of 14 healthy collegiate athletes during sprinting. The non-fatigue, fatigue progression, and fatigue segments of the signals were preprocessed and analyzed using these methods. From each method, thirteen features were extracted, and prominent features were selected using Genetic Algorithm (GA) and Principal Component Analysis (PCA). Classification of fatigue states was performed using four machine learning algorithms: Decision Tree, Support Vector Machine (SVM), Random Forest, and Artificial Neural Network (ANN). Furthermore, spectral features such as mean frequency and median frequency were analyzed to compare fatigue across different muscles.

Results

The results demonstrate that fatigue is characterized by a progressive decline in median frequency (MDF) and mean frequency (MNF) over time. The gastrocnemius lateral head exhibited the steepest decrease in both MDF and MNF, indicating a higher susceptibility to fatigue during dynamic contractions, followed by the gastrocnemius medialis head. Comparative analysis of spectral features across sEMG segments revealed that the transition from fatigue progression to established fatigue occurred more rapidly than the shift from non-fatigue to fatigue progression. Classifier performance evaluation showed that the Random Forest model achieved the highest accuracy of 96.62% using features selected by the Genetic Algorithm (GA), outperforming models trained on Principal Component Analysis (PCA)-selected features (90.79%) and all features combined (92.83%). In contrast, the Support Vector Machine (SVM) classifier recorded the lowest accuracy at 66%.

Conclusions

The proposed method effectively detects dynamic muscle fatigue and shows strong potential for integration into real-time fatigue monitoring for wearable systems.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




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Highlights

sEMG-based muscle fatigue analysis was carried out during sprinting.
Muscle fatigue levels were estimated from mean and median frequency shifts.
Thirteen fatigue features were derived using various time–frequency methods.
ML classifiers were evaluated for muscle fatigue detection using above features.

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Keywords : Muscle fatigue, Surface electromyography, Time-frequency methods, Machine learning, Classifications


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