1、精選文檔步態建模與分析1 步態分析的基本理論與方法1.1 步態研究的意義行走是我們每個人日常生活的重要組成部分，所以對步態的各方面進行研究顯得至關重要。國外很早就在步態方面進行了大量的研究，起源于17世紀歐洲，延續至今已有近四百年的歷程。國內則從1982年開始戴尅戎等人逐漸接觸和研究，在近幾年日趨成熟，從內容、方法、結論等多方面都有較大進展。除醫學研究外，許多工程領域都與步態研究密切相關：1臨床診斷。臨床醫學上對于病癥，特別是運動功能障礙病癥的正確診斷及治療手段都是基于對人體正常與非正常運動充分了解的基礎上的，因此關于人體運動參數的檢測與分析方法的研究是該領域的必須環節。2康復工程。肢體殘疾是

2、所有殘疾中發生率最高的一種，肢體殘疾直接導致的是患者的運動功能障礙。肢體殘疾者使用的假肢和矯形器是康復工程領域中兩項很具代表性的主要技術，也是將人體運動機理分析的成果進行應用研究的典型范例。3人機工程學。人機工程學研究的是人與機械、人與環境以及機械與環境之間的相互作用。作為人機系統中的兩大組成部分之一，人體的各種功能（包括運動功能）和限度是人機工程學的重要研究對象，也是人機工程學研究的基礎之一。4體育科學。體育科學包括運動醫學、運動生理學等與體育運動相關的學科，它們均是以體育運動作為研究對象，通過對人體運動的研究來提高體育運動的水平，減少和避免運動中的意外傷害，治療運動損傷等。在對很多體育運動

3、（如體操、跳水等）的研究中，運動的協調和身體的平衡是重要的關注方向。5仿生機構與仿生制造。自然界的生物經過了漫長的進化，構造了相當完美的生命系統，模仿生命系統來改進現有設計、制造方法和制造系統具有重要的實際意義，生物學與機械工程結合產生了生物機械工程學(biomechanical engineering)；醫學與工程科學結合形成了生物醫學工程學(biomedical engineering)1。1.2 人體步態周期每個人獨特的步行方式代表了他如何解決以最小的力量，足夠的穩定性和優美的姿勢從一個地方移至另一個地方的問題。研究表明2：對于人體步態影響較大的有六項決定性因素分別是骨盆轉動，骨盆傾斜，

4、在足跟著地后屈膝，足和踝的運動，膝關節運動和骨盆的運動。不過只有人體在平面上以正常速度行走時才能被應用。他們在步態周期中的肌肉活動起著動力、震蕩吸收和穩定性的作用。步行，類似于其他身體動作，有五種功能需要，每種需要有一種專門的解剖結構系統所提供。功能需要與解剖結構系統對應表需 要對應的解剖結構系統運動來源關節杠桿需要和意識運動的控制能量供應動力單元（肌肉）骨和關節神經系統運動中樞系統循環系統需 要對應的解剖結構系統而對于步態的周期劃分，在1 個動作周期中，根據腿部動作的特征，可以分為支撐階段和擺動階段。步行的周期國內的戴尅戎3根據8個轉變點將步態周期分為7個期，即(以右下肢為例)跟著地期、站立

5、中期（此期全足接觸地面，身體在右下肢的支撐下不斷向前移動）、推離期（右足跟離地至右膝關節開始增加屈曲度）、加速期、擺動前期、擺動中期、擺動后期。趙吉鳳、劉永斌4則采用RLA步態周期劃分法（美加利福尼亞州Rancho Los Amigos步態分析研究室提出的最新步態分期，圖1.2），即將步態分為承重期、支持中期、支持末期、預擺動期、擺動初期、擺動中期、擺動末期七個階段。RLA步態周期趙芳5等在周期的劃分上，強調了足跟著地和足跟離地時相中老年人的步態的特點和區別，將其劃分為:單支撐相、雙支撐相、擺動相。指出，老年組單雙支撐時相約占周期的67%，中年組約占63%，在雙支撐時相，老年組的雙支撐時相約占

6、周期的35%，中年組約占26%，二者存在極顯著差異。陸愛云等6在步態周期的劃分上，也是分為站立相、擺動相、雙肢負重相。鈴木鍵二7指出人類步行從一側足到該側再次著地為止所用的時間為一步行周期。在一個步行周期中要經過足底著地負重的站立相和足底離地移動的邁步相。1.3步態的研究指標1.3.1步態的時空參數步態時空參數包括：步行的時間參數、步行的空間參數和步行的時-空參數。步態周期的劃分及各時相所占比例是時間參數的指標。正常步態具有穩定性、周期性和節律性、方向性、協調性以及個體差異性，然而，當人們存在疾病時，以上的步態特征將有明顯的變化。步長、步寬、步速、步頻（圖3.6）作為空間參數的指標被大量選用。

7、為了消除身高對速度和步長的影響，趙芳、陸愛云等采用速度/身高，步長/身高兩個參數更準確地反映其變化。步的周期跨距時-空參數主要是髖關節、膝關節、踝關節的角度-時間關系（圖3.7）。戴尅戎3還分析了髖、膝、踝關節在平地常速行走時的角度-角度關系。髖、膝、踝關節在冠狀面、矢狀面和水平面角度與時間的關系301.3.2步態的動力學特征正常步行時身體的質心沿一復雜的螺旋形曲線向前運動。在矢狀面內表現為周期性上下移動，運動軌跡為正弦波，垂直方向上的高度變化幅值約為5 cm。在水平面內表現為左右往復運動，軌跡同樣形成正弦波31。足-地接觸力通常可按垂直、前后和左右方向做三維記錄。行走時足一地接觸力在垂直方向

8、上的分力最大，在每個步態周期轉折點出現極值，足跟著地時有一極大值，隨足部逐漸放平，受力面積逐漸增大，受力減小，足部完全放平時受力達最小，至足跟離地，足趾登地時出現另一極大值，即在整個步態周期中，垂直方向受力曲線具有典型的對稱雙峰性質。正常人足一地接觸力在水平、前后方向受力較小.且基本對稱。Winter在前人成果的基礎上，經過多年潛心研究基本建立了人體行走（走路）的生物力學模型。著地腳在垂直方向上，受力的方向不變，力的大小形似一條“雙峰曲線”，雖然兩峰值的大小隨速度的改變而變化，但在正常行走時兩力大小基本相同并占人體重量的110%左右。在前后方向上，受力的方向有所改變，在腳著地的前半段與人體運動

9、方向相反，后半段與人體運動方向相同，前后方向兩力最大值的大小基本一致并占體重。的25%左右。左右方向上力的方向相同，力的大小約占體重的5%。(a)Fx(t) (b)Fy(t)(c)Fz(t)步態分析實驗中測得的受力曲線32同時，經過相應的計算，可以得到關節力、關節力矩、關節功率、關節運動的速度和加速度等一系列的數據。現有的各種步態分析軟件中，這些都是可以直接得到的。從而，為步態分析過程中的各種判斷提供依據。由測力板進行測試后，可以對足部進行分區，一般分為如下九個區域：第一趾（T1）、第二到五趾（T2-5）、第一跖骨頭（M1）、第二跖骨頭（M2）、第三跖骨頭（M3）、第四跖骨頭（M4）、第五跖骨

10、頭（M5）、足跟內側（HM）、足跟外側（HL）。通過測力板或者測力鞋墊只能得到地面反作用力，不能像測力臺一樣得到力的空間矢量。但是他們可以得到各個不同區域地面反作用力的值。同時，經過相應的計算還可以得到壓強，沖量，接觸面積，步態中各分段的時間，以及在一個步態周期中的足底的壓力中心軌跡。 (a)足底的壓力以及中心軌跡線 （b）壓力的三維圖 (c)足底的分區(d)各區域壓強隨時間的變化曲線步態分析實驗中由測力板測得數據1.3.3步態的肌電信號特征下肢肌較上肢肌粗大，這與維持直立姿勢，支持體重和行走相適應。下肢肌按部位的不同可分為髖肌、大腿肌、小腿肌和足肌四大肌肉群。每個肌肉群中又存在數額不同的幾塊

11、肌肉。在步行過程中，各關節會根據需要做屈伸運動，關節的屈伸是由不同的肌肉在步態的不同階段收縮和舒張以及韌帶共同作用的結果。其中肌肉的收縮會造成肌電信號的不同。通過肌電信號的采集測試，我們可以得到一個步態周期中各肌肉的活動情況（如表3.2）。步態周期中各肌肉的活動注：摘自澤村誠志從解剖結構我們能知道不同肌肉對于各關節的不同屈伸運動所起到的作用，考慮到一般的實驗均采用的是對人無害的表面肌電測試，故在步態的肌電測試中主要選擇的肌肉如表3.3所示。步態周期中表面肌電常選肌肉以及所對應的關節運動關 節主要運動主要作用淺層肌肉髖關節屈股直肌伸臀大肌、股二頭肌膝關節屈半腱肌（較小）、股二頭肌伸股四頭肌（股直

12、肌）踝關節屈（跖屈）腓腸肌伸（背屈）脛骨前肌2 實驗設備設備統計表明，對步態的分析國內外己經進行了多方面的研究，內容雖各有不同，但就對步態的測試方面，使用的儀器和方法幾乎一致，即用攝影或攝像記錄和計算測量運動學參數，使用測力臺記錄動力學參數，也有少數使用足底壓力分布器測量更精確的足-地壓力分布規律，有些也使用肌電儀采集相關肌肉的肌電信號。然后，進行綜合的統計分析等。2.1三維運動捕捉系統人體運動捕捉和分析的研究始于20世紀80年代初12，因其在人體生物力學研究領域重要的學術價值和廣闊的應用前景，近年來已成為從事該領域的研究工作人員必須要掌握的一門技術。人體運動測量技術廣泛應用于手術導航13-1

13、4、康復治療15-16、虛擬現實17-18、動畫仿真29、運動員動作校正等研究領域20，并涉及到與生物力學相關的許多基本問題，如運動檢測、人體解剖、光學原理和剛體跟蹤等，其捕捉數據的精確度直接關系到后續運動學與反向動力學計算結果的準確性。所以能否采集到高精度的運動數據是該領域研究的前提。從技術的角度來說，運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成：傳感器、信號捕捉設備、數據傳輸設備和數據處理設備。到目前為止，常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式和光學式。同時，不依賴于專用傳感器，而直接識別人體特征的運動捕捉技術也

14、將很快走向實用。不同原理的設備各有其優缺點，一般可從以下幾個方面進行評價：定位精度；實時性；使用方便程度；可捕捉運動范圍大小；成本；抗干擾性；多目標捕捉能力。Optotrak® Certus三維運動測量系統Optotrak® Certus儀器系統Optotrak® Certus是全球著名的加拿大NDI（Northern Digital Inc.）公司的主打成果產品，該儀器是專門為動態運動捕捉開發研制的，并且可以同步進行肌電信號測量。Optotrak® Certus儀器系統主要包括：若干臺高精攝像頭、S-type系統控制單元（SCU）、可調型攝像頭支架、數

15、-模轉化儀、Marker點等（圖3.1）。該系統利用三個精確標定好的線陣CCD，組成一個位移傳感器。通過CCD捕捉到主動發光的Marker點所發出的近紅外光， 可以實時得到每個Marker點在不同時刻的三維空間坐標（圖3.2）。Optotrak®Certus三維運動測量工作原理Optotrak®Certus三維運動測量系統的優點21：(1)精度高（0.1mmRMS），分辨率可達0.01mm；(2)數據可實時采集和顯示，可同時作動態和靜態測量；(3)三維/六維自由度測量；(4)最多可支持512個Marker點；(5)最小Marker點的直徑4mm，重量只有2.5g5.5g；(

16、6)Marker點發光頻率是4600Hz，整個系統的最大數據頻率是1500Hz。(7)操作簡單，出廠后無需再次標定，可自由移動，Marker可自動識別。2.2足底壓力測量技術人體的足是由26塊骨，33個關節和126根韌帶、肌肉和神經如同網狀一樣分層構成的一個復雜結構。它的基本功能是支撐人體體重，緩沖、吸收沖擊力，產生向前的推力以及幫助調節、維持人體的平衡22。人體在靜止站立或者動態行走時，在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到一個地面的反作用力，這個力就是足底壓力。人體的足相對于整個身體來講是相當小的一個部分，但是人體的每一步行走，足底所受到的壓力是巨大的，這種壓力大概超過人體體重的50。就

17、人們日常生活而言，平均每人每天大概有4個小時在依靠其雙腳行走8000至10000步22。這就意味著一個人的足底每天都要累計承受幾百噸的壓力。當人體足部結構發生一些病變或功能障礙以及當人體運動狀態發生變化時，足底壓力和壓強分布都會發生相應的改變。通過對人體在靜止或動態過程中的足底壓力和壓強分布的研究，可以揭示步態的運動性特性和動力性特征。足底壓力測量技術是運用壓力測量儀器對人體在靜止或者動態過程中足底壓力的力學、幾何學以及時間參數值進行測定，對不同狀態下的足底壓力參數進行分析研究，揭示不同的足底壓力分布特征和模式，通過正常足與所研究足的足底壓力參數的對比研究，分析所研究足的形成原因及功能評定。根

18、據足底壓力測定的發展過程及使用技術的物理機制可將其分為足印技術(Pedography)、足底壓力掃描技術(sole barograph)、測力板(Force Plate)及測力臺技術(Force Platform)、壓力鞋及壓力鞋墊技術(In-shoe plantar)23。足印技術是人足在石膏、泥、橡膠等易變形物質上留下的足印或痕跡，足底各部位的壓力大小能根據足印的形態及深淺做出大致判斷，同時還可以通過光學掃描得到量化結果。Morton24是最早利用此技術記錄足部壓力分布的學者之一。足底壓力掃描技術是在一塊玻璃的兩端安置光源，玻璃上放置橡膠等彈性墊，當腳踩在彈性墊后，由于光在玻璃內全反射，受

19、壓的彈性墊即可在玻璃下產生清晰的足印象，影像的光強度正比于壓力。腳印法與直接壓力掃描都是定性分析，足底受力的大小只能根據圖像的變化做大致的判定。測力板、測力臺，壓力鞋和鞋墊則是在換能器、傳感器基礎上發展起來的測試系統。壓力板有兩種辦法來實現壓力的測量，一種是按足部結構將力板劃分多個區域，每個區域都可獨立地記錄作用于其表面的壓力，另一種是采用載荷單元法用載荷單元陣列作為足部支撐，各單元之間并不加以聯系，這樣載荷單元就可以記錄特定解剖部位上的載荷狀況。壓力板和載荷單元多采用力-電轉換技術，足底壓力被轉換為方便測量的電信號，可得到相當精確的結果但具有電延遲性，不利于動態研究。而同時具有精確性、良好的

20、動態響應和高靈敏度的壓電晶體技術就成為很好的替代。而且電工學的發展解決了長期困擾該技術的充電泄露問題，使其成為足底壓力測量的有力工具。測力板和測力臺只能測量足底壓力，不能評定足-鞋之間的受力情況25。由于測力板和測力臺的面積有限，所以只能測定站立或者步行一步的壓力參數。壓力鞋和鞋墊則是將傳感器安置在鞋和鞋墊中，這就克服了測力板和測力臺的不足，它可以將傳感器放置在需要測量的部位，由于鞋子和鞋墊與足底貼服，因此它可以連續測定足底壓力、時間等參數，并可以進行實時監測和反饋。目前，運用最多的是鞋墊式足底壓力測量技術，它可以根據研究需要，調整壓力鞋墊的大小，并可以在不同種類地鞋子上進行測量。較為著名的鞋

21、內墊系統主要有美國的F-scan系統、德國的Pedar系統和比利時的RSscan系統。另一類可獲得連續足底壓力分布的方法是用附著于足底的壓力轉換墊片進行測量。足底壓力測量技術有許許多多，但目前在運動生物力學領域用來測量及評價腳底壓力的儀器主要有三種：測力臺、測力平板、測力鞋墊系統（如圖3.4）。三種儀器來在測試性能方面各有特點。由于鞋墊測力系統受測試地點、測試環境、運動范圍的限制比較小，因此越來越多的應用到腳底受力的測量當中（如表3.1）。(a) Bertec Corporation的4060-80-1000型測力臺 (b) Rsscan的平板測試系統 (c) Rsscan的鞋墊式足底壓力測試

22、系統測量腳底壓力的常用儀器測力裝置比較測力臺測力平板鞋墊測試受力方向三維方向一維一維最大采樣頻率/Hz幾千幾百幾百測試精度精確較精確較精確測試運動范圍限制限制不限測試地點限制限制不限測試條件穿鞋或赤腳穿鞋或赤腳穿鞋腳底分區不可可以可以注：摘自2005亞洲運動與體育科學論壇.洪友廉，毛德偉2.3肌電測量系統近年來，隨著肌電圖（EMG）技術的發展，利用表面肌電信號記錄研究步態中肌肉作用也成為生理學中越來越常用的方法。表面肌電信號是從皮膚表面通過電極引導、記錄下來的神經肌肉系統活動時的生物電信號，它與肌肉的活動狀態和功能狀態之間存在著不同程度的關聯性，因而能在一定的程度上反映神經肌肉的活動。表面肌電

23、信號測量技術具有非損傷性、實時性、多靶點測量等優點26。對表面肌電信號測量技術的研究可揭示肌肉疲勞的機制；在運動實踐中判斷疲勞，指導訓練，預防疲勞損傷，尤其適用于測量運動時的肌電變化，現已逐漸應用于體育科研的許多方面27。Bortec Biomedical Ltd.的表面肌電測量系統肌電信號采集檢測時一般都要用三個電極，兩個電極（G1，G2）用于放在動作電位可以被測量和放大的部位，第三個電極為接地電極，用作放大器的零電壓參考點。肌電圖常用的電極有表面電極（皮膚電極）、針電極、其它電極（絲狀電極、玻璃微電極等）。表面電極和針電極均由各種不同的金屬及合金制成，包括不銹鋼、白金、銀-氯化銀、鎳-鉻等

24、材料。運動中要求肌肉收縮，因此無創的表面肌電圖就成為首選。表面電極安放前應剪掉測量部位的體毛，并用細砂紙和酒精（或丙酮）清潔皮膚，涂導電膏和牢固固定，以減少皮膚電阻、電極移動對肌電圖信號的影響。大多數學者認為表面電極的位置盡量靠近肌腹中心，便于從梭形肌獲得最大的電信號。大多數研究將電極貼在肌肉收縮的幾何中心，電極方向順著肌纖維的縱軸方向，兩電極相距2-3cm，接地線接在靠近電極而運動時相對穩定的地方，這樣所測得肌電信號最穩定。表面電極不能準確記錄肌纖維的肌電活動，但可以綜合的反映該部分肌肉的活動程度。肌電信號是神經肌肉系統活動時產生的一種可測的生物電活動，通過肌電圖所獲得的肌電信號是較弱的一維

25、時間序列信號，它是表面電極所觸及的多個運動單位活動時產生的電變化在時間和空間上疊加的結果，其變化與參加活動的系統運動單位數量、類型、單個運動單位的放電頻率以及動作電位的傳導速度、運動單位活動同步化程度、運動單位元募集方式以及電極放置位置、皮下脂肪厚度、體溫變化等因素有關28-29。2.4步態數據的分析軟件Visual3D三維步態/體態分析軟件通過前面的各種設備，能采集到大量的數據，每個設備自身所帶的分析軟件只能針對該設備測量所得到的數據，不能對一個步態中多個指標的數據進行統一的分析。為了達到這個目的，許多研究者開發了大量的應用軟件，其中Visual3D三維步態/體態分析軟件是世界領先的、最先進

26、的三維步態/體態（運動學和動力學）分析軟件。Visual3D在科研與臨床應用中獲得了巨大的成功，它提供了對三維運動捕捉數據從模型建立、分析到報告生成的總體解決方案。同時這個軟件與NDI的Optorak®Certus運動捕捉系統具有很好的兼容性，同時他也支持Vicon采集的數據，以及Bertec Corporation的各種測力臺和Bortec Biomedical Ltd.的表面肌電測量系統等等。他還能省時省力對運動捕捉數據進行自動分析與報告，具有良好的協作性數據的輸入采用了開放的c3d標準，并且還具有精確性、可靠性與靈活性。該軟件可以利用采集到的三維運動捕作系統、測力臺和表面肌電系統采集到的數據進行相應的處理和分析。同時，軟件中有一個獨立的模塊用以建立人體模型，有靈活的模型創建和在六個自由度上的定義劃分功能。可以建立骨骼和肌肉模型，并與動態模型匹配，可以有直觀的錄像展示。軟件不但可以以標準模板產生統一的報告。報告中的所有數據都可以輸出為EXCEL或WORD來打開的文檔，并可輸入到MATLAB作進一步的分析，使數據有很高的可讀性和可操作性。在軟件中提供