融合人工鱼群和随机森林算法的膝关节接触力预测

针对膝关节接触力的测量问题提出融合人工鱼群和随机森林算法的膝关节接触力预测方法。首先,运用混沌变换构造均匀分布的种群,并引入自适应视野范围策略和自适应步长策略,获得改进的人工鱼群算法。然后,将干预前所有受试者的步态参数和膝关节接触力数据划分为训练集（70%）和验证集（30%）,利用随机森林算法对训练集进行训练,并使用改进的人工鱼群算法优化随机森林模型的主要参数,获得步态参数和膝关节接触力的非线性关系,利用验证集进行验证。最后,以干预后单个受试者的步态参数和膝关节接触力对预测模型进行测试。结果表明模型在验证集和测试集上都有很高的准确性,模型在验证集上的误差表明模型能准确地学习输入和输出之间的因果关系;在测试集上的误差表明训练后的模型能够准确地将这种因果关系推广到新的输入中。     

假肢步态实验平台设计

背景：目前对于假肢的评价还停留在主观感受,缺乏一套客观的评价系统,建立模拟人体运动的在线假肢参数检测系统对于假肢性能的评价、假肢研究设计具有重要意义。 目的：实现假肢的多种步态运动,并通过运动学、动力学数据的比对,评价其仿真程度。 方法：根据仿生学原理,将下肢假肢简化成四杆四轴的力学模型,利用采集得到的多种步态模式,驱动下肢假肢运动,并搭建动态力学测试平台,实时测量假肢运动的地面垂直反力和前后剪力。 结果与结论：假肢步态运动,髋膝关节的变化曲线与正常步态数据相一致,而其地面垂直反力与前后剪力也与正常人体相接近。提示假肢步态实验平台模拟了下肢假肢步态运动,并实时采集假肢运动的多项运动学、动力学参数,具备较高的仿真程度。     

基于多参数模型结合的步态特征提取新方法

为弥补单一模型识别能力的不足,削弱因步速、衣着、光照等变化的影响,提出小波分解(WD)、不变矩(IM)并结合骨架理论(ST)提取步态特征参数的新方法.其技术流程为:先分割出人体目标轮廓,并将其规格化叠加处理,获取步态特征图;再将小波分解与不变矩结合,提取含人体整体模型信息的矩参数;同时将步态特征图骨架化,提取含人体简化模型信息的骨架特征参数;最后将矩参数与骨架参数作为识别参量,输入支持向量机(SVM)进行步态识别.使用自建的天津大学红外步态数据库(TIGD)进行试验,其正确识别率为84%～92%.表明多参数模型相结合的方法有利于提取步态的本质结构特征.     

超重成年人步态特征与能耗

文题释义：能量消耗：在中国首次建立并使用能量代谢舱测定成年受试者的运动能耗及呼吸商等相关数据，配合IDEEA的使用同步监测受试者的步态特征。该方法测定人体相关能耗数据准确，快速反馈且测试时间不受限制，测试环境与日常生活无异。步态特征：使用IDEEA(智能步态分析仪)测定人体步行过程中的时空步态参数，还可以识别人体在运动中的运动类型(走､跑､蹬阶)，测定人体在运动中各个关节的角度及足底压力情况。该方法实施简便，反馈及时，安全高效。 背景：许多研究都对肥胖者的步态改变进行了研究，但是少有对超重者的步态与能耗进行研究。 目的：对比超重人群与正常体质量人群的运动能耗及步态特征，探究体成分与步态参数的关系。 方法：75名男性受试者按照体质量指数分为2组，对照组40人(体质量指数在18.5-23.9 kg/m² )；超重组 35人(体质量指数在24.0-27.9 kg/m² )。测试前测量所有受试者的体成分数据。所有参与者佩戴IDEEA-Ⅲ在跑步机上按设定好的速度3.5，4.5 km/h各行走10 min，记录步长、跨步长、步频、单腿支撑时间、双腿支撑时间、步态周期等参数，并进行能量代谢舱测定受试者的步行能耗。研究中使用人体受试者得到了江苏省体育科学研究所审查委员会的批准，所有受试者在参与之前都阅读并签订了知情同意书。结果与结论：①2组受试者年龄、身高无显著差异，其余体成分指标差异显著(P < 0.05)；②在3.5 km/h的速度下，超重组受试者在拔腿强度、摆腿强度、地面冲击力、足落地控制及步频均显著高于对照组(P < 0.05)，步态周期时间、足离地前角度超重组受试者显著低于对照组(P < 0.05)，其余步态参数未见显著差异；③在4.5 km/h的速度下，超重组受试者单腿站立时间低于对照组，双腿站立时间高于对照组，步态周期时间低于对照组，差异均有显著性意义(P < 0.05)，超重组拔腿强度、步频高于对照组、足离地角度显著低于对照组(P < 0.05)；④在3.5 km/h速度下，仅体质量指数、体脂率与足离地角度有关，在4.5 km/h速度下，体质量及体质量指数与单足支撑时间，双足支撑时间要优于体脂率。速度过慢时超重人群的步态可以不发生改变，较快速度时步态则出现明显改变。无论速度如何，超重组能耗、相对能耗较对照组更高。ORCID: 0000-0001-8214-3846(鹿琦) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

下肢外骨骼人机耦合交互力特性分析

目的 提出一种基于虚拟肌肉的人机耦合动力学建模方法,对穿戴外骨骼步行过程的人机交互力及穿戴者 肌骨系统的肌肉激活情况等特征进行量化分析。 方法 首先在穿戴外骨骼的步态实验中,利用人体动作捕捉系统 和自行开发的力学监测装置,同步获取穿戴者步行动力学、肌电信号、外骨骼驱动状态及局部的法向人机交互力信 息;然后,在肌骨系统建模环境中建立人机耦合模型,并以步态实验数据和外骨骼关节扭矩作为耦合模型的驱动信 息,进行逆动力学计算;最后,对模型的仿真数据与实验测试结果进行对比,量化评估下肢外骨骼人机耦合模型的 有效性。 结果 耦合模型逆动力学计算的法向交互力以及下肢肌肉激活情况与步态实验测量结果相比,在响应曲 线趋势上均具有良好一致性,其中交互力结果具有高程度的相关性（ ｒ ＝ ０。９３１,Ｐ＜０.０１）,均方根误差较小,下肢肌 肉激活程度峰值误差均小于 ５％ 。 结论 本文提出的人机耦合模型可有效计算人与外骨骼交互力。 该耦合模型的 建立为以后外骨骼结构优化与控制算法的验证与迭代,以及外骨骼助行助力功效的性能评估提供理论依据。     

足踝步态模拟机动力学特性仿真及实验验证

目的 研究足踝步态模拟机动力学特性,仿真着地相中的足底垂直、前后、水平3个足底反力,并在实验台中验证。方法 运用设计的5自由度步态模拟机,建立Adams虚拟样机和足踝模型（包含足部主要韧带和跖腱膜、足底软组织及跟腱力）,对其进行动力学仿真,并把仿真中的控制规律运用到实验台验证;将仿真和实验中测力板测得的足底反力与仿真和真实数据比较。结果 着地相进程中3个方向的足底反力与实际步态中吻合度较高,足部的韧带和跖腱膜、跟腱和软组织等对正确的步态有重要的影响,步态实验台能够很好重复仿真特性。结论 模拟机具备仿真人体步态着地相的能力,为活体无法进行测量的实验提供临床研究平台。     

基于有限元方法的全髋关节假体个体化选型分析

目的 研究ISO 7206标准对全髋关节置换术临床应用的指导意义。方法 建立肌骨数值模型,对正常行走步态进行仿真,以获得下肢的运动学和动力学参数;建立对应的全髋关节假体有限元模型,应用步态载荷进行计算,并对比ISO标准的有限元模型计算结果。结果 正常行走步态下,髋关节力分别在20%和54%步态周期出现峰值,以此作为有限元计算的步态载荷,得到20%步态周期时假体应力最大;松动模型中假体柄上最大应力大于无松动模型中假体柄上最大应力,且应力分布趋势存在差异;分析对比ISO测试和不同体重人体步态载荷下的假体最大应力,得到ISO测试中最大应力水平对应108~142 kg体重载荷下的假体最大应力。结论ISO测试中合格的假体可满足100 kg体重人体正常步态下的强度要求。     

体质量指数对全髋关节置换后早期髋关节功能恢复影响的三维步态分析

文题释义：三维步态分析系统：通过对利用摄像机得到的人体运动图像进行图像处理，来进行步态分析的技术及装置。以获取人体在各体态和运动下的生理、病理的力学和数学参数，进行人体各部位和机能检测，所检测的数据经进一步分析计算后可获得人体各部位(特别是关节)的受力状态，以及机械功、代谢能量消耗的情况。 体质量指数：是一个计算值，当需要比较及分析一个人的体质量对于不同高度的人所带来的健康影响时，体质量指数值是一个中立而可靠的指标。 背景：肥胖对全髋关节置换的影响已有学者进行讨论，但目前尚缺乏对不同体质量指数患者使用三维步态分析技术进行随访的研究。 目的：通过三维步态分析系统定量分析体质量指数对全髋关节置换后早期髋关节功能恢复的影响。 方法：选择大连大学附属中山医院关节外科2017年1月至2018年6月收治的全髋关节置换患者60例，根据入院时体质量指数分为超重组(体质量指数≥25 kg/m²)与正常组(体质量指数< 25 kg/m²)，每组30例。所有患者对检测方案均知情同意，且得到医院伦理委员会批准。收集患者的手术部位、年龄、性别、身高、体质量、手术时间等临床基本资料；术后6个月时使用三维步态分析技术采集时间-距离参数(步幅、步频、平均步速)、动力学参数及运动学参数对髋关节功能进行评价。 结果与结论：①2组在手术部位、性别比例及年龄方面差异无显著性意义(P > 0.05)；但超重组手术时间明显长于正常组，差异有显著性意义(P=0.000)；②时间-距离参数方面，2组在步幅、步频及平均步速上差异虽无显著性意义，但超重组步幅(1.08±0.18) m小于正常组(1.35±1.45) m；③运动学参数中，超重组在髋关节各个面的活动范围均小于正常组，差异有显著性意义(P < 0.05)；④动力学参数方面，屈髋力矩峰值超重组小于正常组，差异有显著性意义(P=0.011)；伸髋力矩峰值2组差异无显著性意义(P=1.000)；⑤提示肥胖对全髋关节置换后早期功能恢复存在一定影响。 ORCID: 0000-0003-1824-687X(陈浩鹏) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

男性青年行走起动步态的实验研究

目的获取青年男性常速行走起动步态的运动学和动力学参数。方法采用两台DLUT4060压电式多分量测力平台结合DVM8820三维红外影像捕捉系统对9名正常男性青年(平均年龄(21.3±0.5)岁)的起动步态进行测试。结果在步态起动时受试者的下肢运动学及动力学特征与行进时存在明显差异,更大幅度的腿摆动及更有力的支撑腿蹬地是起动步态的重要特征;步态起动时足底压力中心的运动轨迹在整体上表现为先向摆动腿外侧后移再横移至支撑腿的"W"型。结论正常人起动步态具有自身特征,该状态下运动学和动力学参数的获取将为步态分析及仿生机器人的研制提供帮助。     

基于机械系统动力学自动分析的步态仿真足部分块模型

本文旨在建立适用于步态动力学仿真分析的足部分块模型并验证其有效性及实用性。本文基于新型的混合驱动人体步态试验机,将骨骼模型导入机械系统动力学自动分析软件(ADAMS)中,结合在其中建立的足部韧带、筋膜、肌肉模型及柔性体足底软组织模型,组成足部分块模型。用在体试验采集到的步态数据作为驱动,并在模型上加载肌肉力和肌腱力,进行步态模拟。将得到的地面反作用力及关节旋转角度与报道结果进行比较,验证了模型的有效性。本文仿真结果表明,本模型能较好地用于步态动力学仿真分析,并有望作为进一步研究的工具。     

一种足压检测结合Azure Kinect系统的步态信号采集与参数表征方法

步态采集系统可用来进行步态分析。传统的可穿戴式步态采集系统由于传感器佩戴位置不同会导致步态参数出现较大误差。基于标记法的步态采集系统设备成本高昂且需要结合测力系统在康复医师的指导下使用，由于操作复杂，临床应用不便。本文设计了一种足压检测与Azure Kinect系统结合的步态采集系统，组织15名受试者参与步态试验、采集相关数据，提出了步态时空参数与关节角度参数计算方法，并将步态分析结果与摄像机标记法所得结果进行了一致性分析和误差分析。结果表明，本文设计的步态采集系统和作为对照的摄像机系统所获得参数具有较好的一致性（皮尔逊相关系数r≥0.9,P <0.05）且具有较小误差（步态参数的均方根误差低于0.1，关节角度的均方根误差低于6）。综上，本文所提步态采集系统及其参数提取方法可为临床医疗上的步态特征分析提供可靠的数据采集结果，可作为理论分析的依据。     

三维步态分析系统在儿童运动功能评价中的运用

背景：三维步态分析系统是一组通过网络将运动分析系统,动态体表肌电图和压力板连接起来的系统。 目的：利用三维步态分析提供的实时力学等数据,对步态进行运动学和动力学方法定量评定,为异常运动儿童患者提供相关客观依据。 方法：应用计算机检索1991-01/2010-02PubMed数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed),检索词为“Three-dimensional gait analysis,children”。检索文献量总计136篇,选择三维步态分析系统在儿童运动功能评价中科研及其临床应用方面的文献,排除陈旧及重复实验文章,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志的文章,最终纳入28篇符合标准的文献。 结果与结论：三维步态分析系统的可靠性优于视觉步态分析。可诊断并分析异常运动,作治疗前评价,治疗后的效果评价和预后评价。在国外科研和成人运动功能评估中运用广泛,但在儿童运动功能评价中的运用还不是很成熟。     

偏瘫患者步态特征的动力学仿真分析

目的研究偏瘫步态特征与下肢异常肌力之间的内在关系,阐明导致偏瘫步态的肌力原因并为临床治疗提供建议。方法以偏瘫步态和正常步态为研究对象进行建模仿真,通过正常步态下仿真模型与实测数据对比验证模型有效性,对两种模型的运动学数据、地面反作用力(ground reaction force,GRF)及肌力等特征曲线进行差异分析。结果 LifeMOD仿真结果与测力台实测GRF曲线复相关系数为0.922,动力学模型合理有效。偏瘫步态患者初始着地期胫前肌肌力小导致踝关节背屈不足,摆动前期腓肠肌肌力小,起不到蹬离推动作用。结论胫前肌、腓肠肌软弱无力是偏瘫患者出现足下垂等偏瘫步态特征的主要原因,LifeMOD建模仿真可协助诊断偏瘫患者的异常肌力。     

基于COM平衡恢复响应的人体滑跌步态分析

针对人体行走过程的滑跌现象,提出了利用基于质心位置(COM)恢复响应来分析滑跌过程的方法。该方法以基于Kane方程的下肢行走动力学模型为基础,能够实现行走过程中每个步态周期动力学参数的快速检测,能对滑跌过程的任一瞬时平衡状态进行分析,并据此绘制滑动和跌倒过程的COM特性曲线,利用此曲线对滑跌步态原因、阶段及进程进行判断。当COM在基础支撑(BOS)区域投影点与其压力中心距离大于0.012～0.015m,则人体步态处于发生滑跌的阀值域;COM速度响应曲线域在0.9～2.1m/s之间时,步态处于稳定期。不同年龄段的两组步态滑跌实验数据表明,该方法能够利用基于COM恢复响应特性曲线对滑跌过程进行预测和干预。     

帕金森病冻结步态的实时监测系统

目的由于帕金森病冻结步态的突发性,临床上对其进行评估存在一定困难,为此本文研究了一种用于实时监测冻结步态的系统。方法该系统由可穿戴设备和配套的APP两部分构成,其中设备通过惯性传感器和超声波传感器采集患者腿部运动的加速度和抬脚高度数据,并传输至APP软件中,通过软件中的冻结步态识别模型进行分析。系统为构建冻结步态识别模型,首先通过实验采集12位患者的运动数据,然后经过信号预处理、特征提取和机器学习算法训练出模型,最后通过对数据集采用十折交叉验证来评估模型的准确度和精确度。结果系统对冻结步态的识别准确率可达98.6%,精确率达97.2%。结论该系统能够实时监测帕金森病患者日常生活中的冻结步态发作情况,为医生的诊疗提供定量、可靠的参考依据。     

基于运动学和动力学参数的步态识别研究

为了通过步态进行身份鉴别 ,采用模式识别的方法进行基于步态运动学和动力学参数的步态识别 ,提出了对步态运动学参数中关节角度、动力学参数中地面垂直支反力 (VGRF)进行特征提取的方法。对 14名健康男性受试者的步态进行了识别实验。结果显示 ,基于关节角度的识别准确率 (CCR)为 87.1 (k-近邻法中 k=1)和90 (k=3) ;基于 VGRF的 CCR为 85 .7 (k=1)和 80 (k=3)。另外 ,从多元统计学的角度对实验数据进行分析证明了通过步态进行身份鉴别的可行性。同时 ,主成分分析显示 ,在 VGRF曲线中 ,对步态识别起比较重要作用的是足部接触地面瞬间的部分。     

基于无线传感器技术的人体步态跟踪系统研制

设计了一套基于无线传感器网络技术的人体步态跟踪系统。首先在测试者腿部佩戴传感器节点实时采集运动加速度数据,通过传感器网络将数据发给PC机进行数据处理。PC机上采用卡尔曼滤波算法估计腿部运动状态向量(弯曲角度、摆动速度、水平/垂直加速度),从而建立运动模型实时跟踪人体步态运动。初步试验结果表明,系统能够准确地跟踪人体运动步态,具有准确性高、使用方便、可扩展性好和性价比高等优点,可广泛应用于人体运动功能康复评价等领域。     

构建基于小波熵的自训练半监督支持向量机分类模型评价老年人步态

研究应用半监督学习算法分析未标注步态数据评价老年人步态,提出基于小波熵的自训练半监督支持向量机步态分类模型,通过小波熵从未标注步态数据中选取为每次自训练步态分类模型所需最具信息量的标注样本,有效获取步态数据类别间和步态数据内在的“有价值”的步态变异信息,提高步态分类器的泛化性能.首先采用10名老年人和10名青年人步态数据构建支持向量机分类模型,然后对120名不同年龄组未标注步态数据分类预测,依据小波熵选取样本数据,逐步添加更新步态样本训练集,自训练支持向量机分类模型.实验结果表明,本算法较准确鉴别青年和老年人步态模式(分类正确率90％),比基于有监督学习的支持向量机步态分类算法正确率提高近5％,有效改善支持向量机步态分类算法性能,有望为临床提供一个评价老年人步态的新方法.     

利用步态分析研究楔形鞋垫对膝关节载荷的影响

目的研究足底不同位置的楔形鞋垫对膝关节承载及运动特征的影响。方法利用三维动捕捉系统与测力台对10名健康成年女性受试者步态中的关节动力学变化特点进行分析研究。实验状态分为对照组和6组楔形鞋垫测试组。利用单因素方差分析评价楔形足底支撑对膝关节动力学参数的影响。结果相对于对照组,前内侧楔形鞋垫组显著减小了膝内翻力矩第1峰值(P<0.05);使用前外侧楔形鞋垫和外侧全长楔形鞋垫的两组显著减小了膝内翻力矩第2峰值(P<0.05,P<0.05)。结论使用楔形鞋垫可有效地减小站立相的膝关节内翻力矩,这将有助于设计适合的鞋垫以减轻由骨性关节炎所带来的疼痛。     

有无跌倒史老年人步态生物力学特征对比分析

目的 通过对有、无跌倒史老年人进行步态运动学和动力学同步测量,对比步态生物力学特征,为老年人跌倒预防提供理论及实践依据。 方法 在居民社区及老年公寓招募 284 名 60 岁以上老年人作为测试对象,严格按照纳入和排除标准,按照既往 12 个月跌倒史分为跌倒组(有跌倒史)和非跌倒组(无跌倒史)。 采用三维录像解析和动态足底压力测量获取受试者自然行走步态的运动学和动力学参数。 测试数据采用独立样本 t 检验进行组间各因素差异性对照分析。 结果 跌倒组老年人自然行走步态过程中左足第 1 跖骨峰值力、双足足跟外侧冲量、右足大拇趾冲量等动力学参数与非跌倒组相比,差异均有统计学意义(P<0. 05);跌倒组老年人自然行走步态过程中右足第 2 跖骨受力面积、左足缓冲期接触时间、右足前脚掌触地时间、右足横向压力中心(center of pressure, COP)轨迹、左足触地髋角、双足峰值压力点重心位移等运动学参数与非跌倒组相比,差异均有统计学意义(P<0. 05)。 结论 与无跌倒史老年人相比,有跌倒史老年人行走过程中第 2 跖骨受力面积减小,足底触地时间延长,过渡期支撑稳定性下降,COP 横向位移增大,行进方向 COM 位移减小,意味着老年人下肢肌力下降,足侧向摆动增大,步行推进力减小,可导致姿势控制策略发生代偿性改变,潜在跌倒风险增大。 在临床评估中,应重点关注有跌倒史老年人群步态足底压力及运动学特征。