步態分析系統

步態分析系統，主要用於檢測動物神經中樞，指導動物身體四肢運動的行為檢測裝置，動物在步態運動的區域上運動時，運動姿態，及四肢的反應情況，通過計算機採集一系列數據，做為研究康復運動的科研儀器。

基本介紹

• 中文名：步態分析系統
• 外文名：Gait analysis system
• 依據：人體步行的基本特徵
• 套用：醫療、體育、康復、人類學等
• 意義：做為研究康復運動的科研儀器
• 學科：計算機、機械、物理

作用

人體運動是神經系統控制1000多塊肌肉有節律收縮，驅動200多塊骨骼繞100多個關節協同運動的結果。儘管近年來生命科學研究取得了很大進展，但是距離模擬大腦控制肢體運動的過程還非常遠，因此康復醫學、體育學等研究者普遍採用觀察人肢體巨觀運動來診斷人體運動功能疾病，評估人體康復進程，指導體育訓練與選材。

步態分析系統是檢測人肢體巨觀運動最常用的設備，我們主要研究通過對利用普通攝像機得到的人體運動圖像進行圖像處理，來進行步態分析的技術及裝置。內容涉及人體運動軌跡、地面支反力和表面肌電信號的檢測與分析技術，以及康復進程評定方法等。

重要意義

步行是人類最基本的運動，步行的姿態可分為不同的類型，通過檢測人體行走中的運動狀態、受力狀態等生物力學有關的物理量，可進一步分析影響步態的各種因素，如解剖結構、生理功能甚至精神狀態的各種變化。為此，需要一定的技術手段和設備(即步態分析系統)。步態分析系統的研製在醫療、體育、康復、人類學、宇航、工業等方面均有重要的科學意義及套用價值：

1.能夠獲取人體在各體態和運動下的生理、病理的力學和數學參數，進行人體各部位和機能檢測，所檢測的數據經進一步分析計算後可獲得人體各部位(特別是關節)的受力狀態、以及機械功、代謝能量消耗的情況。當前除本系統外，尚無其它技術可代替。

2.在臨床醫學(包括骨科、神經科)中，該系統是重要的定量檢查與分析的手段，從而改變了沿用己久的定性分析和直觀描述。利用術前測得的各種人體運動曲線、數據及分析結果，我們可對關節疾患的程度進行測定，並在此基礎上對手術方案進行最最佳化擬定；術後數據及分析結果是評定治療效果的最精確的客觀定量指標。目前，本技術在國外已廣泛用於人工關節手術前後的功能和療效評定或殘廢鑑定，在國內已有個別醫院將步態分析作為軀幹和下肢疾病的常規檢查及隨訪手段。

3.可為假肢和人工關節設計提供所需依據，也是當前人工關節置換術一前後進行定量分析與評價的唯一手段。

4.為軀幹和下肢的生物力學研究提供基本參數。

5.在康復醫學中，可以指導患者術後的行走訓練，是設計智慧型化假肢的支持技術。

6.步態分析系統極適合體育運動中的訓練記錄分析和評價，是分析動作，提高成績的定量依據.在運動訓練中，該系統的實時反饋功能將特別有用。

7.步態分析系統還可用於工業測量與控制，如對工業機器人的運動次序進行標定與評價，記錄機器人操作時的運動，並以此為依據改進機器人。

8.在人機工程方面，該系統可提供一個能夠精確和自動地收集動、靜態擬人數據的方法，這在宇航、航空方面有特殊的套用價值。

套用條件

醫院、體育訓練場等環境與實驗室環境有很大不同，因此，一套步態分析系統要從研究領域進入套用領域(如醫院臨床診斷)，必須具備一定的條件：

1.容易操作：非步態系統研究專業人員，如一般醫生、護士稍加訓練也會使用，理想情況是任何人都能操作。

2.輸出結果直觀，易於理解、保存。

3.執行時間較快，以縮短病人檢查時間(最好不超過5分鐘)。

4.能提供較多的參數。

5.成本較低，運行費用也要低。

6.安裝、校準及運輸都較方便。

7.適應面廣，適合從兒童到成年人的步行、快跑及跳躍等的測量。

8.要求足夠的測量量程及靈敏度，良好的線性、較少滯後效應、較高的採樣率、空間解析度、壓力解析度及信噪比等，此外還要求重複性好,性能穩定。

9.對受試者行動障礙較少，接近自然運動狀態。

系統組成

簡介

步態分析是評價運動功能一個重要手段，但傳統步態觀察分析其準確性不能保證，而且受測試者的主觀因素影響很大。由於這些缺陷，半自動化的三維步態分析系統就應運而生了。三維步態分析系統是一組通過網路將運動分析系統，動態體表肌電圖和壓力板連線來，提供實時的力學等數據，並對步態進行運動學和動力學分析的系統。年齡和性別差異都會造成獲得的步態數據的差異。相較於臨床測量和視覺步態分析，三維步態分析系統有更好的可靠性。

Desloovere等證明動態和靜態相結合的臨床測量不能充分的預測步態分析的數據。Kawamura等的研究也表明：視覺步態分析只有在初步接觸地面時膝關節屈曲和骨盆傾斜度上有與三維步態分析相似的可靠性，在步態周期中的其他8項需要量化評估的選定點中可靠性均不如三維步態分析。

組成

三維步態分析系統主要由三維動作捕捉系統、三維測力台、無線表面肌電儀、足底壓力組成。三維步態分析系統採集人體在步行過程中各個關節點的精確三維坐標，足底與支撐面之間的壓力（垂直、左右、前後三個方向的力），並結合表面肌電系統採集的EMG信號，通過專業的步態分析軟體進行三維重建與模型分析，從而得到人體運動時的步態參數。

套用

三維步態分析是一種新興的運動評估技術，可以用於診斷，運動功能的評價，並指導治療。對於科研和臨床功能評價均是一種可靠的評價工具。 三維步態分析系統能夠準確的鑑別並分析異常運動，及時的發現異常運動並可以通過運動學、動力學及動態肌電圖的分析找出異常運動的原因。主要可鑑別分析運動異常，偏癱診斷分析等。

三維步態分析系統是一個先進的功能評價技術。在國外三維步態分析系統已經開始運用於兒童運動評價中，從而進行異常步態的分析，治療評價，手術方案確定和手術評價以及幫助矯形器的使用。相較於臨床測量和視覺步態分析，三維步態分析系統有更好的可靠性。很多實驗研究也證明臨床測量的準確性和客觀性都不及三維步態分析系統。此外，由於三維步態分析系統的可靠性和準確性，三維步態分析系統已經在科研中被作為一個評價的標準用以評價其他評估方法的可靠性和有效性。三維步態分析系統這一分析工具通過對生物動力學、運動學、肌肉活動情況的客觀數據的分析，不受測試者經驗及主觀因素的影響，使得對兒童運動功能的評價相較於傳統的量表評價方法和視覺評價更具客觀性且更加全面，使得對兒童運動功能障礙的進一步的治療更具靶向性，能夠更準確的進行個體化治療，更好的改善兒童的運動功能。

但是，三維步態分析系統在國內運用於臨床兒童運動功能評價還存在許多問題。①缺乏國內兒童的正常資料庫，目前所能使用的資料庫均為西方的三維步態分析系統公司提供的資料庫。而西方人和東方人的步態並不是完全相同的，用西方人的正常值範圍來衡量及評價東方人的步態情況是不完全準確的。②只使用兩塊測力台也給三維步態分析的運用造成了影響，兒童的理解力有限，很難完全的理解並完全按照醫師的要求進行步行。③目前，三維步態分析系統的運用並不一定總是可靠的，需要控制變異性，才能使三維步態分析的結果可靠。