人体心肺功能康复状态的多维度非线性动态建模分析方法学研究
作者：孙学川
单位：解放军体育学院体能训练研究中心，广东广州510502
关键词：心肺机能；康复；非线性建模分析；动态数学模型
现代康复000508
摘要 步态分析是下肢康复评价中的一个重要方面，步态检测是步态分析的前提，文中介绍了一种基于普通摄像机的人体步态微机检测系统，给出了不同路况下步态检测实验结果。并提出了应注意的问题。
中图分类号 R496 文献标识码 A 文章编号 1007-5496(2000)05-0664-02
The gait measurement system for human on different terrain
, 百拇医药
ZHANG Rui-hong
(Tsinversity University,Beijing 100084,China)
WANG Ren-cheng
(Tsinversity University,Beijing 100084,China)
JIN De-wen,et al.
(Tsinversity University,Beijing 100084,China)
Abstract Gait analysis is an important part in the evaluation of lower extremity rehabilitation. Gait measurement is the support of Gait analysis. Here, a gait measurement system based on an ordinary camera was introduced. The measure results of the gait on different terrain were given. Some problems were also been posed.
, 百拇医药
Key words gait； rehabilitation
步态是人在步行时姿态的统称，人体步态从一个侧面反映出人的健康状况和病态特征，对步态的检测分析主要用于行走功能评定、矫治异常步态、或康复器具性能的评价等方面[1]。进行步态检测时，较为简单易行的是目测方法，但目测法只能得出一些定性估计，具有很大的局限性，而且要求医生有丰富的临床经验。随着科技的发展，特别是电子技术和计算机的广泛应用，使得康复评价方法日益完善，逐步实现了以计算机为中心的动作综合计测和数据处理的大规模系统[2]。从而可以结合医学知识和专家处理技术，对人体行走的功能状态进行对比分析，为下肢康复提供重要的数据。
1 步态分析应用的参数及测量方法
参照临床观测方法，对步态的定量分析所用参数大致可归纳为以下几类[3,4]：(1)距离类参数：步长、半步长、步宽、足离地角、足离地间隙等，(2)时间类参数：步态周期时间、支撑期百分比、摆动期百分比、双足支撑期时间、步频、步速等。(3)运动学参数：髋、膝、踝关节运动规律(速度、加速度等)；身体重心的位置变化规律；骨盆的位置变化规律。(4)力学参数：内力如体内关节作用力、肌肉力，外力如足底地面作用力。(5)肌电活动参数：主要为下肢各肌肉的周期性活跃变化。(6)能量代谢参数：如步行一定时间的能量消耗。前3类参数大多采用图像类运动检测系统来实现，如采用电影摄影或多次爆光技术的纯光学类运动检测系统[5,6]，采用光电技术的COSTEL系统[7]，非接触类的超声波运动检测系统[8]等。体内内力的无创测量很困难，目前较多采用间接方法，通过与外力的平衡计算得到[9,10]。外力测量主要是测行走过程中的地面反力，通常采用力台测量[6,11]；肌电信号由电信号测量仪来实现[12]。近几年，清华大学研制了一种基于普通摄像机的可对多种路况进行步态检测的人体步态检测系统，成本低廉，更适宜国内应用。
, 百拇医药
2 检测系统介绍
在进行步态测量时，运动位移记录系统是对身体移动的宏观动作的检测分析，并略去了由于肌肉膨胀和关节滑动引起的微小变形，因此，往往把身体看作由若干刚性部件连接的系统。各活动关节简化为刚性系统的连接铰链。这样，在进行图像处理时只需关心各关节点的位置即可。
人体步行时髋、膝、踝关节均做复杂的空间运动，但是主要的运动是在矢状面内。因此通常步态分析系统中得到的是各关节点位置在矢状面上的变化曲线。当然，如果更关心其它面内的变化曲线，可调整摄像机摆放位置。图1所示即为清华大学康复所开发的人体步态测量分析系统。该系统包括三维测力系统、运动位移记录系统和肌电测量系统，为适应不同路况，特设计了水平、坡路、楼梯3种行走通道用于测量不同路况下的步态。
图1 人体步态测量分析系统
, http://www.100md.com
测力系统主要有三维测力平台、信号调理板、AD采样板和计算机处理软件。运动位移记录系统有摄像机及计算机图像处理软件。肌电测量系统包括足底开关装置，及置于皮肤表面的表面电极，信号放大器、AD采样板及处理软件。测量过程说明：计算机1在采集力台数据的同时，不断进行检测，当力台数据超过一预置门限时，发信号到同步控制器，指示灯亮，表示实验者已踩到力台上。摄像机记录到该指示灯亮信号。这样，可以达到力台数据和图像数据同步。此外，实验者足底配有足跟、足尖触发开关，该信号和肌电信号由计算机2同时记录，因此，也可实现肌电信号和图像数据的同步。从而达到整个系统的同步。该系统力台、摄像、肌电采集3部分可同时工作，也可单独工作。
3 测量数据举例
进行测量时，实验者需依照实验要求，在相应关节(如髋、膝、踝3个关节)上贴上摄像标志点，以方便图像处理。若测量肌电信号，需在相应肌肉皮肤表面固定表面电极，足底固定足尖、足跟开关。从运动位移记录系统得到的基本数据是运动棍图，反映出人体矢状面在空间的位置变化。图2是实验者在上楼梯时的运动棍图。由运动棍图可直接得到步长、足离地角、足离地间隙等参数。由于图像是以每秒50帧采集的，因此，由此还可得到髋、膝、踝关节运动的角度、角速度等运动学参数以及步行速度、步态周期时间等时序参数(这些都可以从图像处理软件中得到)。图3即为由运动棍图配合足底开关信号得到的步态周期百分比图。图中给出了5种不同路况下左、右腿的摆动期和站立期时间。其中，实线框代表全足放平的时间段(此时，足尖、足跟都接触地面)，虚线框代表足部分触地的时间段。这两种时间段组成支撑期。其余未划线的区域为摆动期。
, 百拇医药
图2 上楼梯的运动棍图
图3 不同路况下正常人步态周期对比
从力台数据采集系统可以得到足底的地面反力。包括垂直地面方向、平行地面方向及侧向3个分力。如图4为对健康人记录的在各种路况下的平行地面方向分力。地面反力可直接用于步态分析，也可和关节运动参数配合求得关节内力、内力矩，进行更深入分析。
图4 平行地面方向的分力(向前为正)
肌电的活跃性是由肌电测量系统得到的。图5为所记录的5种不同路况下的股二头肌肌电信号。对记录信号经过一定的处理，可以计算其在一个步态周期内的幅值平均、功率谱、信号的活跃开始时间、结束时间、持续时间等多个参数。以供不同的分析用途。
, 百拇医药
图5 不同路况的股二头肌肌电信号
4 在对不同路况下的步态进行测量时应注意的问题
测量步态要自然、具有代表性。由于实验平台是为室内实验设计的，楼梯、斜坡长度有限，应让实验者充分适应行走通道，消除紧张心理，用最自然的步幅和步速行走，这样数据才更有意义。
防护问题，尤其是对患者进行实验时，患者本身平衡性不是很好，在楼梯、斜坡等路况下行走时，平衡性更差，应施加严密的防护，以免受伤。
5 小结
与目测法比较，采用微机步态系统测量步态数据丰富详实，各项测量结果同步性好，图表直观易懂，易于临床操作。微机系统对所测数据的保存更适于各记录间的对比分析，方便了康复诊疗。
基金项目国家自然科学基金资助项目(39770214)
, 百拇医药
作者简介 张瑞红(1972-)，女，河北人，精仪系在读博士。主要研究方向：人体下肢膝上假肢。
参考文献
[1]范振华.步态分析[M].康复医学，北京：人民卫生出版社，1988.12～13
[2]林良明，范玉杰.现代康复医学工程[J].上海：上海交通大学出版社，1991.12
[3]戴克戎.步态分析及其临床应用[M].上海第二医科大学学报，1987,建校35周年特刊:93～95
[4]杨树萱.步态分析[M].康复医学，1993.47～52
[5]陈大跃，丁洪，周新宇，等.人体行走的步态测试与分析系统[J].中国生物医学工程学报，1997,16(2):133～141
, 百拇医药
[6]王人成，黄昌华.基于摄像机的人体运动信息检测系统[J].生物医学工程学杂志,1999,16(4):448～452
[7]G Bianchi. The COSTEL system for human motion measurement and analysis[J].SPIE Image- Based Motion Measurement, 1990,1： 38～ 50
[8]杨衍明，林方，袁波，等.超声定位人体下肢步态分析仪[J].中国生物医学工程学报，1997,16(6)：298～303
[9]Dudley S Childress, Richmord B Chan. Gait assistant from single marker measurements, Rehabilitation R＆ D Progress Reports[M].Baltimorecienti-fic ＆ Technical Publications Section, 1998.48～ 49
, http://www.100md.com
[10]Bing Yu. Calibration of measured center of pressure of a new stairway design for kinetic analysis of stair climbing [J]. J Biomechanics, 1996, 29(12)： 1 625～ 1 628
[11]丁海曙，潘文叶，李云，等.三维测力系统的数据采集及应用[J].中国康复，1989,4(4):183～185
[12]王人成，黄昌华.表面肌电信号测试分析系统的研制[J].中国医疗器械杂志,1998,22(3):129～132
(收稿：2000-03-04), http://www.100md.com
单位：解放军体育学院体能训练研究中心，广东广州510502
关键词：心肺机能；康复；非线性建模分析；动态数学模型
现代康复000508
摘要 步态分析是下肢康复评价中的一个重要方面，步态检测是步态分析的前提，文中介绍了一种基于普通摄像机的人体步态微机检测系统，给出了不同路况下步态检测实验结果。并提出了应注意的问题。
中图分类号 R496 文献标识码 A 文章编号 1007-5496(2000)05-0664-02
The gait measurement system for human on different terrain
, 百拇医药
ZHANG Rui-hong
(Tsinversity University,Beijing 100084,China)
WANG Ren-cheng
(Tsinversity University,Beijing 100084,China)
JIN De-wen,et al.
(Tsinversity University,Beijing 100084,China)
Abstract Gait analysis is an important part in the evaluation of lower extremity rehabilitation. Gait measurement is the support of Gait analysis. Here, a gait measurement system based on an ordinary camera was introduced. The measure results of the gait on different terrain were given. Some problems were also been posed.
, 百拇医药
Key words gait； rehabilitation
步态是人在步行时姿态的统称，人体步态从一个侧面反映出人的健康状况和病态特征，对步态的检测分析主要用于行走功能评定、矫治异常步态、或康复器具性能的评价等方面[1]。进行步态检测时，较为简单易行的是目测方法，但目测法只能得出一些定性估计，具有很大的局限性，而且要求医生有丰富的临床经验。随着科技的发展，特别是电子技术和计算机的广泛应用，使得康复评价方法日益完善，逐步实现了以计算机为中心的动作综合计测和数据处理的大规模系统[2]。从而可以结合医学知识和专家处理技术，对人体行走的功能状态进行对比分析，为下肢康复提供重要的数据。
1 步态分析应用的参数及测量方法
参照临床观测方法，对步态的定量分析所用参数大致可归纳为以下几类[3,4]：(1)距离类参数：步长、半步长、步宽、足离地角、足离地间隙等，(2)时间类参数：步态周期时间、支撑期百分比、摆动期百分比、双足支撑期时间、步频、步速等。(3)运动学参数：髋、膝、踝关节运动规律(速度、加速度等)；身体重心的位置变化规律；骨盆的位置变化规律。(4)力学参数：内力如体内关节作用力、肌肉力，外力如足底地面作用力。(5)肌电活动参数：主要为下肢各肌肉的周期性活跃变化。(6)能量代谢参数：如步行一定时间的能量消耗。前3类参数大多采用图像类运动检测系统来实现，如采用电影摄影或多次爆光技术的纯光学类运动检测系统[5,6]，采用光电技术的COSTEL系统[7]，非接触类的超声波运动检测系统[8]等。体内内力的无创测量很困难，目前较多采用间接方法，通过与外力的平衡计算得到[9,10]。外力测量主要是测行走过程中的地面反力，通常采用力台测量[6,11]；肌电信号由电信号测量仪来实现[12]。近几年，清华大学研制了一种基于普通摄像机的可对多种路况进行步态检测的人体步态检测系统，成本低廉，更适宜国内应用。
, 百拇医药
2 检测系统介绍
在进行步态测量时，运动位移记录系统是对身体移动的宏观动作的检测分析，并略去了由于肌肉膨胀和关节滑动引起的微小变形，因此，往往把身体看作由若干刚性部件连接的系统。各活动关节简化为刚性系统的连接铰链。这样，在进行图像处理时只需关心各关节点的位置即可。
人体步行时髋、膝、踝关节均做复杂的空间运动，但是主要的运动是在矢状面内。因此通常步态分析系统中得到的是各关节点位置在矢状面上的变化曲线。当然，如果更关心其它面内的变化曲线，可调整摄像机摆放位置。图1所示即为清华大学康复所开发的人体步态测量分析系统。该系统包括三维测力系统、运动位移记录系统和肌电测量系统，为适应不同路况，特设计了水平、坡路、楼梯3种行走通道用于测量不同路况下的步态。
图1 人体步态测量分析系统
, http://www.100md.com
测力系统主要有三维测力平台、信号调理板、AD采样板和计算机处理软件。运动位移记录系统有摄像机及计算机图像处理软件。肌电测量系统包括足底开关装置，及置于皮肤表面的表面电极，信号放大器、AD采样板及处理软件。测量过程说明：计算机1在采集力台数据的同时，不断进行检测，当力台数据超过一预置门限时，发信号到同步控制器，指示灯亮，表示实验者已踩到力台上。摄像机记录到该指示灯亮信号。这样，可以达到力台数据和图像数据同步。此外，实验者足底配有足跟、足尖触发开关，该信号和肌电信号由计算机2同时记录，因此，也可实现肌电信号和图像数据的同步。从而达到整个系统的同步。该系统力台、摄像、肌电采集3部分可同时工作，也可单独工作。
3 测量数据举例
进行测量时，实验者需依照实验要求，在相应关节(如髋、膝、踝3个关节)上贴上摄像标志点，以方便图像处理。若测量肌电信号，需在相应肌肉皮肤表面固定表面电极，足底固定足尖、足跟开关。从运动位移记录系统得到的基本数据是运动棍图，反映出人体矢状面在空间的位置变化。图2是实验者在上楼梯时的运动棍图。由运动棍图可直接得到步长、足离地角、足离地间隙等参数。由于图像是以每秒50帧采集的，因此，由此还可得到髋、膝、踝关节运动的角度、角速度等运动学参数以及步行速度、步态周期时间等时序参数(这些都可以从图像处理软件中得到)。图3即为由运动棍图配合足底开关信号得到的步态周期百分比图。图中给出了5种不同路况下左、右腿的摆动期和站立期时间。其中，实线框代表全足放平的时间段(此时，足尖、足跟都接触地面)，虚线框代表足部分触地的时间段。这两种时间段组成支撑期。其余未划线的区域为摆动期。
, 百拇医药
图2 上楼梯的运动棍图
图3 不同路况下正常人步态周期对比
从力台数据采集系统可以得到足底的地面反力。包括垂直地面方向、平行地面方向及侧向3个分力。如图4为对健康人记录的在各种路况下的平行地面方向分力。地面反力可直接用于步态分析，也可和关节运动参数配合求得关节内力、内力矩，进行更深入分析。
图4 平行地面方向的分力(向前为正)
肌电的活跃性是由肌电测量系统得到的。图5为所记录的5种不同路况下的股二头肌肌电信号。对记录信号经过一定的处理，可以计算其在一个步态周期内的幅值平均、功率谱、信号的活跃开始时间、结束时间、持续时间等多个参数。以供不同的分析用途。
, 百拇医药
图5 不同路况的股二头肌肌电信号
4 在对不同路况下的步态进行测量时应注意的问题
测量步态要自然、具有代表性。由于实验平台是为室内实验设计的，楼梯、斜坡长度有限，应让实验者充分适应行走通道，消除紧张心理，用最自然的步幅和步速行走，这样数据才更有意义。
防护问题，尤其是对患者进行实验时，患者本身平衡性不是很好，在楼梯、斜坡等路况下行走时，平衡性更差，应施加严密的防护，以免受伤。
5 小结
与目测法比较，采用微机步态系统测量步态数据丰富详实，各项测量结果同步性好，图表直观易懂，易于临床操作。微机系统对所测数据的保存更适于各记录间的对比分析，方便了康复诊疗。
基金项目国家自然科学基金资助项目(39770214)
, 百拇医药
作者简介 张瑞红(1972-)，女，河北人，精仪系在读博士。主要研究方向：人体下肢膝上假肢。
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[6]王人成，黄昌华.基于摄像机的人体运动信息检测系统[J].生物医学工程学杂志,1999,16(4):448～452
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, http://www.100md.com
[10]Bing Yu. Calibration of measured center of pressure of a new stairway design for kinetic analysis of stair climbing [J]. J Biomechanics, 1996, 29(12)： 1 625～ 1 628
[11]丁海曙，潘文叶，李云，等.三维测力系统的数据采集及应用[J].中国康复，1989,4(4):183～185
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(收稿：2000-03-04), http://www.100md.com