步态建模与分析.docx
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步态建模与分析
步态建模与分析
1步态分析的基本理论与方法
1.1步态研究的意义
行走是我们每个人日常生活的重要组成部分，所以对步态的各方面进行研究显得至关重要。
国外很早就在步态方面进行了大量的研究，起源于17世纪欧洲，延续至今已有近四百年的历程。
国内则从1982年开始戴尅戎等人逐渐接触和研究，在近几年日趋成熟，从内容、方法、结论等多方面都有较大进展。
除医学研究外，许多工程领域都与步态研究密切相关：
1．临床诊断。
临床医学上对于病症，特别是运动功能障碍病症的正确诊断及治疗手段都是基于对人体正常与非正常运动充分了解的基础上的，因此关于人体运动参数的检测与分析方法的研究是该领域的必须环节。
2．康复工程。
肢体残疾是所有残疾中发生率最高的一种，肢体残疾直接导致的是患者的运动功能障碍。
肢体残疾者使用的假肢和矫形器是康复工程领域中两项很具代表性的主要技术，也是将人体运动机理分析的成果进行应用研究的典型范例。
3．人机工程学。
人机工程学研究的是人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用。
作为人机系统中的两大组成部分之一，人体的各种功能（包括运动功能）和限度是人机工程学的重要研究对象，也是人机工程学研究的基础之一。
4．体育科学。
体育科学包括运动医学、运动生理学等与体育运动相关的学科，它们均是以体育运动作为研究对象，通过对人体运动的研究来提高体育运动的水平，减少和避免运动中的意外伤害，治疗运动损伤等。
在对很多体育运动（如体操、跳水等）的研究中，运动的协调和身体的平衡是重要的关注方向。
5．仿生机构与仿生制造。
自然界的生物经过了漫长的进化，构造了相当完美的生命系统，模仿生命系统来改进现有设计、制造方法和制造系统具有重要的实际意义，生物学与机械工程结合产生了生物机械工程学（biomechanicalengineering）；医学与工程科学结合形成了生物医学工程学（biomedicalengineering）[1]。
1.2人体步态周期
每个人独特的步行方式代表了他如何解决以最小的力量，足够的稳定性和优美的姿势从一个地方移至另一个地方的问题。
研究表明[2]：
对于人体步态影响较大的有六项决定性因素分别是骨盆转动，骨盆倾斜，在足跟着地后屈膝，足和踝的运动，膝关节运动和骨盆的运动。
不过只有人体在平面上以正常速度行走时才能被应用。
他们在步态周期中的肌肉活动起着动力、震荡吸收和稳定性的作用。
步行，类似于其他身体动作，有五种功能需要，每种需要有一种专门的解剖结构系统所提供。
功能需要与解剖结构系统对应表
需要
对应的解剖结构系统
运动来源
关节杠杆
需要和意识
运动的控制
能量供应
动力单元（肌肉）
骨和关节
神经系统
运动中枢系统
循环系统
需要
对应的解剖结构系统
而对于步态的周期划分，在1个动作周期中，根据腿部动作的特征，可以分为支撑阶段和摆动阶段。
步行的周期
国内的戴尅戎[3]根据8个转变点将步态周期分为7个期，即（以右下肢为例）跟着地期、站立中期（此期全足接触地面，身体在右下肢的支撑下不断向前移动）、推离期（右足跟离地至右膝关节开始增加屈曲度）、加速期、摆动前期、摆动中期、摆动后期。
赵吉凤、刘永斌[4]则采用RLA步态周期划分法（美加利福尼亚州RanchoLosAmigos步态分析研究室提出的最新步态分期，图1.2），即将步态分为承重期、支持中期、支持末期、预摆动期、摆动初期、摆动中期、摆动末期七个阶段。
RLA步态周期
赵芳[5]等在周期的划分上，强调了足跟着地和足跟离地时相中老年人的步态的特点和区别，将其划分为:
单支撑相、双支撑相、摆动相。
指出，老年组单双支撑时相约占周期的67%，中年组约占63%，在双支撑时相，老年组的双支撑时相约占周期的35%，中年组约占26%，二者存在极显著差异。
陆爱云等[6]在步态周期的划分上，也是分为站立相、摆动相、双肢负重相。
铃木键二[7]指出人类步行从一侧足到该侧再次着地为止所用的时间为一步行周期。
在一个步行周期中要经过足底着地负重的站立相和足底离地移动的迈步相。
1.3步态的研究指标
1.3.1步态的时空参数
步态时空参数包括：
步行的时间参数、步行的空间参数和步行的时-空参数。
步态周期的划分及各时相所占比例是时间参数的指标。
正常步态具有稳定性、周期性和节律性、方向性、协调性以及个体差异性，然而，当人们存在疾病时，以上的步态特征将有明显的变化。
步长、步宽、步速、步频（图3.6）作为空间参数的指标被大量选用。
为了消除身高对速度和步长的影响，赵芳、陆爱云等采用速度/身高，步长/身高两个参数更准确地反映其变化。
步的周期跨距
时-空参数主要是髋关节、膝关节、踝关节的角度-时间关系（图3.7）。
戴尅戎[3]还分析了髋、膝、踝关节在平地常速行走时的角度-角度关系。
髋、膝、踝关节在冠状面、矢状面和水平面角度与时间的关系[30]
1.3.2步态的动力学特征
正常步行时身体的质心沿一复杂的螺旋形曲线向前运动。
在矢状面内表现为周期性上下移动，运动轨迹为正弦波，垂直方向上的高度变化幅值约为5cm。
在水平面内表现为左右往复运动，轨迹同样形成正弦波[31]。
足-地接触力通常可按垂直、前后和左右方向做三维记录。
行走时足一地接触力在垂直方向上的分力最大，在每个步态周期转折点出现极值，足跟着地时有一极大值，随足部逐渐放平，受力面积逐渐增大，受力减小，足部完全放平时受力达最小，至足跟离地，足趾登地时出现另一极大值，即在整个步态周期中，垂直方向受力曲线具有典型的对称双峰性质。
正常人足一地接触力在水平、前后方向受力较小.且基本对称。
Winter在前人成果的基础上，经过多年潜心研究基本建立了人体行走（走路）的生物力学模型。
着地脚在垂直方向上，受力的方向不变，力的大小形似一条“双峰曲线”，虽然两峰值的大小随速度的改变而变化，但在正常行走时两力大小基本相同并占人体重量的110%左右。
在前后方向上，受力的方向有所改变，在脚着地的前半段与人体运动方向相反，后半段与人体运动方向相同，前后方向两力最大值的大小基本一致并占体重。
的25%左右。
左右方向上力的方向相同，力的大小约占体重的5%。
（a）Fx（t）（b）Fy（t）
（c）Fz（t）
步态分析实验中测得的受力曲线[32]
同时，经过相应的计算，可以得到关节力、关节力矩、关节功率、关节运动的速度和加速度等一系列的数据。
现有的各种步态分析软件中，这些都是可以直接得到的。
从而，为步态分析过程中的各种判断提供依据。
由测力板进行测试后，可以对足部进行分区，一般分为如下九个区域：
第一趾（T1）、第二到五趾（T2-5）、第一跖骨头（M1）、第二跖骨头（M2）、第三跖骨头（M3）、第四跖骨头（M4）、第五跖骨头（M5）、足跟内侧（HM）、足跟外侧（HL）。
通过测力板或者测力鞋垫只能得到地面反作用力，不能像测力台一样得到力的空间矢量。
但是他们可以得到各个不同区域地面反作用力的值。
同时，经过相应的计算还可以得到压强，冲量，接触面积，步态中各分段的时间，以及在一个步态周期中的足底的压力中心轨迹。
（a）足底的压力以及中心轨迹线（b）压力的三维图（c）足底的分区
（d）各区域压强随时间的变化曲线
步态分析实验中由测力板测得数据]
1.3.3步态的肌电信号特征
下肢肌较上肢肌粗大，这与维持直立姿势，支持体重和行走相适应。
下肢肌按部位的不同可分为髋肌、大腿肌、小腿肌和足肌四大肌肉群。
每个肌肉群中又存在数额不同的几块肌肉。
在步行过程中，各关节会根据需要做屈伸运动，关节的屈伸是由不同的肌肉在步态的不同阶段收缩和舒张以及韧带共同作用的结果。
其中肌肉的收缩会造成肌电信号的不同。
通过肌电信号的采集测试，我们可以得到一个步态周期中各肌肉的活动情况（如表3.2）。
步态周期中各肌肉的活动
注：
摘自泽村诚志
从解剖结构我们能知道不同肌肉对于各关节的不同屈伸运动所起到的作用，考虑到一般的实验均采用的是对人无害的表面肌电测试，故在步态的肌电测试中主要选择的肌肉如表3.3所示。
步态周期中表面肌电常选肌肉以及所对应的关节运动
关节
主要运动
主要作用浅层肌肉
髋关节
屈
股直肌
伸
臀大肌、股二头肌
膝关节
屈
半腱肌（较小）、股二头肌
伸
股四头肌（股直肌）
踝关节
屈（跖屈）
腓肠肌
伸（背屈）
胫骨前肌
2实验设备设备
统计表明，对步态的分析国内外己经进行了多方面的研究，内容虽各有不同，但就对步态的测试方面，使用的仪器和方法几乎一致，即用摄影或摄像记录和计算测量运动学参数，使用测力台记录动力学参数，也有少数使用足底压力分布器测量更精确的足-地压力分布规律，有些也使用肌电仪采集相关肌肉的肌电信号。
然后，进行综合的统计分析等。
2.1三维运动捕捉系统
人体运动捕捉和分析的研究始于20世纪80年代初[12]，因其在人体生物力学研究领域重要的学术价值和广阔的应用前景，近年来已成为从事该领域的研究工作人员必须要掌握的一门技术。
人体运动测量技术广泛应用于手术导航[13-14]、康复治疗[15-16]、虚拟现实[17-18]、动画仿真[29]、运动员动作校正等研究领域[20]，并涉及到与生物力学相关的许多基本问题，如运动检测、人体解剖、光学原理和刚体跟踪等，其捕捉数据的精确度直接关系到后续运动学与反向动力学计算结果的准确性。
所以能否采集到高精度的运动数据是该领域研究的前提。
从技术的角度来说，运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。
典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成：
传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备。
到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。
同时，不依赖于专用传感器，而直接识别人体特征的运动捕捉技术也将很快走向实用。
不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：
定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；成本；抗干扰性；多目标捕捉能力。
Optotrak®Certus™三维运动测量系统
Optotrak®Certus™仪器系统
Optotrak®Certus™是全球著名的加拿大NDI（NorthernDigitalInc.）公司的主打成果产品，该仪器是专门为动态运动捕捉开发研制的，并且可以同步进行肌电信号测量。
Optotrak®Certus™仪器系统主要包括：
若干台高精摄像头、S-type系统控制单元（SCU）、可调型摄像头支架、数-模转化仪、Marker点等（图3.1）。
该系统利用三个精确标定好的线阵CCD，组成一个位移传感器。
通过CCD捕捉到主动发光的Marker点所发出的近红外光，可以实时得到每个Marker点在不同时刻的三维空间坐标（图3.2）。
Optotrak®Certus™三维运动测量工作原理
Optotrak®Certus™三维运动测量系统的优点[21]：
（1）精度高（0.1mmRMS），分辨率可达0.01mm；
（2）数据可实时采集和显示，可同时作动态和静态测量；
（3）三维/六维自由度测量；
（4）最多可支持512个Marker点；
（5）最小Marker点的直径4mm，重量只有2.5g~5.5g；
（6）Marker点发光频率是4600Hz，整个系统的最大数据频率是1500Hz。
（7）操作简单，出厂后无需再次标定，可自由移动，Marker可自动识别。
2.2足底压力测量技术
人体的足是由26块骨，33个关节和126根韧带、肌肉和神经如同网状一样分层构成的一个复杂结构。
它的基本功能是支撑人体体重，缓冲、吸收冲击力，产生向前的推力以及帮助调节、维持人体的平衡[22]。
人体在静止站立或者动态行走时，在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到一个地面的反作用力，这个力就是足底压力。
人体的足相对于整个身体来讲是相当小的一个部分，但是人体的每一步行走，足底所受到的压力是巨大的，这种压力大概超过人体体重的50％。
就人们日常生活而言，平均每人每天大概有4个小时在依靠其双脚行走8000至10000步[22]。
这就意味着一个人的足底每天都要累计承受几百吨的压力。
当人体足部结构发生一些病变或功能障碍以及当人体运动状态发生变化时，足底压力和压强分布都会发生相应的改变。
通过对人体在静止或动态过程中的足底压力和压强分布的研究，可以揭示步态的运动性特性和动力性特征。
足底压力测量技术是运用压力测量仪器对人体在静止或者动态过程中足底压力的力学、几何学以及时间参数值进行测定，对不同状态下的足底压力参数进行分析研究，揭示不同的足底压力分布特征和模式，通过正常足与所研究足的足底压力参数的对比研究，分析所研究足的形成原因及功能评定。
根据足底压力测定的发展过程及使用技术的物理机制可将其分为足印技术（Pedography）、足底压力扫描技术（solebarograph）、测力板（ForcePlate）及测力台技术（ForcePlatform）、压力鞋及压力鞋垫技术（In-shoeplantar）[23]。
足印技术是人足在石膏、泥、橡胶等易变形物质上留下的足印或痕迹，足底各部位的压力大小能根据足印的形态及深浅做出大致判断，同时还可以通过光学扫描得到量化结果。
Morton[24]是最早利用此技术记录足部压力分布的学者之一。
足底压力扫描技术是在一块玻璃的两端安置光源，玻璃上放置橡胶等弹性垫，当脚踩在弹性垫后，由于光在玻璃内全反射，受压的弹性垫即可在玻璃下产生清晰的足印象，影像的光强度正比于压力。
脚印法与直接压力扫描都是定性分析，足底受力的大小只能根据图像的变化做大致的判定。
测力板、测力台，压力鞋和鞋垫则是在换能器、传感器基础上发展起来的测试系统。
压力板有两种办法来实现压力的测量，一种是按足部结构将力板划分多个区域，每个区域都可独立地记录作用于其表面的压力，另一种是采用载荷单元法用载荷单元阵列作为足部支撑，各单元之间并不加以联系，这样载荷单元就可以记录特定解剖部位上的载荷状况。
压力板和载荷单元多采用力-电转换技术，足底压力被转换为方便测量的电信号，可得到相当精确的结果但具有电延迟性，不利于动态研究。
而同时具有精确性、良好的动态响应和高灵敏度的压电晶体技术就成为很好的替代。
而且电工学的发展解决了长期困扰该技术的充电泄露问题，使其成为足底压力测量的有力工具。
测力板和测力台只能测量足底压力，不能评定足-鞋之间的受力情况[25]。
由于测力板和测力台的面积有限，所以只能测定站立或者步行一步的压力参数。
压力鞋和鞋垫则是将传感器安置在鞋和鞋垫中，这就克服了测力板和测力台的不足，它可以将传感器放置在需要测量的部位，由于鞋子和鞋垫与足底贴服，因此它可以连续测定足底压力、时间等参数，并可以进行实时监测和反馈。
目前，运用最多的是鞋垫式足底压力测量技术，它可以根据研究需要，调整压力鞋垫的大小，并可以在不同种类地鞋子上进行测量。
较为著名的鞋内垫系统主要有美国的F-scan系统、德国的Pedar系统和比利时的RSscan系统。
另一类可获得连续足底压力分布的方法是用附着于足底的压力转换垫片进行测量。
足底压力测量技术有许许多多，但目前在运动生物力学领域用来测量及评价脚底压力的仪器主要有三种：
测力台、测力平板、测力鞋垫系统（如图3.4）。
三种仪器来在测试性能方面各有特点。
由于鞋垫测力系统受测试地点、测试环境、运动范围的限制比较小，因此越来越多的应用到脚底受力的测量当中（如表3.1）。
（a）BertecCorporation的4060-80-1000型测力台
（b）Rsscan的平板测试系统（c）Rsscan的鞋垫式足底压力测试系统
测量脚底压力的常用仪器
测力装置比较
测力台
测力平板
鞋垫
测试受力方向
三维方向
一维
一维
最大采样频率/Hz
几千
几百
几百
测试精度
精确
较精确
较精确
测试运动范围
限制
限制
不限
测试地点
限制
限制
不限
测试条件
穿鞋或赤脚
穿鞋或赤脚
穿鞋
脚底分区
不可
可以
可以
注：
摘自2005亚洲运动与体育科学论坛.洪友廉，毛德伟
2.3肌电测量系统
近年来，随着肌电图（EMG）技术的发展，利用表面肌电信号记录研究步态中肌肉作用也成为生理学中越来越常用的方法。
表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定的程度上反映神经肌肉的活动。
表面肌电信号测量技术具有非损伤性、实时性、多靶点测量等优点[26]。
对表面肌电信号测量技术的研究可揭示肌肉疲劳的机制；在运动实践中判断疲劳，指导训练，预防疲劳损伤，尤其适用于测量运动时的肌电变化，现已逐渐应用于体育科研的许多方面[27]。
BortecBiomedicalLtd.的表面肌电测量系统
肌电信号采集检测时一般都要用三个电极，两个电极（G1，G2）用于放在动作电位可以被测量和放大的部位，第三个电极为接地电极，用作放大器的零电压参考点。
肌电图常用的电极有表面电极（皮肤电极）、针电极、其它电极（丝状电极、玻璃微电极等）。
表面电极和针电极均由各种不同的金属及合金制成，包括不锈钢、白金、银-氯化银、镍-铬等材料。
运动中要求肌肉收缩，因此无创的表面肌电图就成为首选。
表面电极安放前应剪掉测量部位的体毛，并用细砂纸和酒精（或丙酮）清洁皮肤，涂导电膏和牢固固定，以减少皮肤电阻、电极移动对肌电图信号的影响。
大多数学者认为表面电极的位置尽量靠近肌腹中心，便于从梭形肌获得最大的电信号。
大多数研究将电极贴在肌肉收缩的几何中心，电极方向顺着肌纤维的纵轴方向，两电极相距2-3cm，接地线接在靠近电极而运动时相对稳定的地方，这样所测得肌电信号最稳定。
表面电极不能准确记录肌纤维的肌电活动，但可以综合的反映该部分肌肉的活动程度。
肌电信号是神经肌肉系统活动时产生的一种可测的生物电活动，通过肌电图所获得的肌电信号是较弱的一维时间序列信号，它是表面电极所触及的多个运动单位活动时产生的电变化在时间和空间上叠加的结果，其变化与参加活动的系统运动单位数量、类型、单个运动单位的放电频率以及动作电位的传导速度、运动单位活动同步化程度、运动单位元募集方式以及电极放置位置、皮下脂肪厚度、体温变化等因素有关[28-29]。
2.4步态数据的分析软件——Visual3D™三维步态/体态分析软件
通过前面的各种设备，能采集到大量的数据，每个设备自身所带的分析软件只能针对该设备测量所得到的数据，不能对一个步态中多个指标的数据进行统一的分析。
为了达到这个目的，许多研究者开发了大量的应用软件，其中Visual3D™三维步态/体态分析软件是世界领先的、最先进的三维步态/体态（运动学和动力学）分析软件。
Visual3D™在科研与临床应用中获得了巨大的成功，它提供了对三维运动捕捉数据从模型建立、分析到报告生成的总体解决方案。
同时这个软件与NDI的Optorak®Certus™运动捕捉系统具有很好的兼容性，同时他也支持Vicon采集的数据，以及BertecCorporation的各种测力台和BortecBiomedicalLtd.的表面肌电测量系统等等。
他还能省时省力对运动捕捉数据进行自动分析与报告，具有良好的协作性数据的输入采用了开放的c3d标准，并且还具有精确性、可靠性与灵活性。
该软件可以利用采集到的三维运动捕作系统、测力台和表面肌电系统采集到的数据进行相应的处理和分析。
同时，软件中有一个独立的模块用以建立人体模型，有灵活的模型创建和在六个自由度上的定义划分功能。
可以建立骨骼和肌肉模型，并与动态模型匹配，可以有直观的录像展示。
软件不但可以以标准模板产生统一的报告。
报告中的所有数据都可以输出为EXCEL或WORD来打开的文档，并可输入到MATLAB作进一步的分析，使数据有很高的可读性和可操作性。
在软件中提供了一个模块，便于用户对信号处理方法的选择和对于相关的运动阶段的自动识别。
该软件支持同时输入多组实验数据，可在报告中将多组数据进行统计计算。
结合人体测量学、生理解剖等，用软件我们可以分析步态的以下相关参数：
1．步频、步幅、步速、步长、步宽、支撑期、摆动期、双支撑期、下肢各关节位移、速度、角度，关节屈曲/伸展、内旋/外旋、内收/外展。
2．关节合力、关节力矩及功率。
3．下肢肌肉的肌电原始信号、应激激活状态的起始时间，肌电积分，信号的各种频谱分析，肌肉疲劳分析等。
这对于实验大大的简化了，在过去对于关节角度的测量需要用测角仪，加速度的测量需要加速度仪。
2.5步态的建模实例
通过软件进行相应的后处理可以得到人体的骨骼模型，并且同时能展示足底压力的矢量。
同时还可以生成动画，对受试者的步态进行虚拟再现从而进行各种观察和分析。
Visual3D软件中步态虚拟再现
3该实验的目标
本实验的目的是通过Optotrak®Certus™三维运动测量系统，以及测力台和表面肌电测量系统的联合使用，对正常人的步态进行测试，并且通过Visual3D™三维步态/体态分析软件对测试结果进行建模和分析。
在本次实验中，首先通过文献查阅了解实验的背景和相关研究的进展，然后熟练掌握NDI公司的Optotrak®Certus™系统、BertecCorporation的4060-80-1000型测力台和BortecBiomedicalLtd.的表面肌电测量系统的联合使用，NDIFirstPrinciples软件和Visual3D™三维步态/体态分析软件的使用，并运用该系统和软件进行数据采集和分析。
通过本实验的学习，掌握了步态分析系统的原理和应用，学会如何设计生物医学工程实验，比如：
设计实验方案，训练受试者，处理并分析数据等。
为以后的进一步研究，比如特殊病种的患者，佩戴辅具后的残疾患者的步态研究，以及一些特殊动作的体态研究打下坚实的基础。
4实验要求
通过查阅文献，了解步态建模与分析的原理；
了解三维运动捕获系统、测力台、足底压力测试系统、肌电仪等设备的使用；
完成1-2例步态分析
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