低成本人体步态分析系统的研究

目的：改进原有矢状面人体步态分析系统,增加额状面运动轨迹和肌电信号检测功能,完善系统软件,使其操作更加简单方便。方法：增加部分硬件,改进运动轨迹检测步骤,优化标志点自动识别算法和软件流程。结果：该系统可以检测与分析矢状面和额状面运动轨迹、地面反力和表面肌电信号,并且能够对患者平衡控制功能进行训练治疗。结论：额状面的肩摇晃系数、髋内收和内旋系数、脚面侧翻角度等参数,弥补了单一矢状面运动分析的不足,新系统丰富和完善了原有矢状面人体步态分析系统的功能,为临床提供了一种成本低廉、功能齐全的步态分析工具。     

三维运动解析系统测试脑卒中偏瘫步态的运动学定量评价

背景:近年来兴起的三维运动解析技术,可获得多项行走过程中的生物力学参数,代表了目前步态生物力学研究的先进水平.目前该技术在国外开展较多,而国内则较少.国内有限的研究主要集中在对偏瘫患侧下肢矢状面上运动的分析.目的:对偏瘫患者步行运动进行三维立体运动学分析,与正常步态对比,分析脑卒中偏瘫步态的运动学变化特征.方法:运用三维运动解析系统,对10例首发缺血性脑卒中偏瘫患者进行步态分析,以10例健康者作为对照.检测健康对照组步行过程中的基本时空参数、步态周期参数与骨盆三维运动角度参数,并对其运动过程中的对称性进行分析.检测两组下肢髋、膝、踝关节的三维运动学角度参数,对比两组下肢关节运动在矢状面、横断面与冠状面上的变化特征.结果与结论:偏瘫步态表现出下肢运动膝关节屈曲受限,膝关节活动度减小.髋关节内收、旋内不足,外展与旋外角度增大.提示三维运动解析系统测试可测定偏瘫患者步行功能,定量评价偏瘫患者下肢关节运动变化,从而进行相应针对性的稳定性与协调性训练.     

一种便携式步态分析系统的信度研究

目的:探讨一种便携式步态分析系统在时空参数、多关节角度值的信度。方法:选取30例健康青年,由2名评估者进行便携式步态分析,记录步频、步幅、步速、步长等时空参数和行走时矢状面、水平面和冠状面各关节活动角度的最大值,采用相关系数进行重测信度和测量者间信度的比较,评估其测量信度。结果:时空参数、矢状面最大角度值组内相关系数(ICC)均0.75,信度良好;水平面、冠状面最大角度值ICC无显著性差异或信度差。结论:该便携式步态分析系统分析时空参数、矢状面最大角度值信度良好,可良好地反映步行功能,有较好的评估价值;水平面及冠状面关节角度值信度较低,应用时需谨慎。     

前交叉韧带断裂三维不对称度步态分析初探

目的步态分析对于下肢损伤部位及程度描述具有重要作用,而对称度是步态特征的重要指标。本研究将在三维空间定量描述步态信息及其不对称度,深入挖掘步态信息,完善疾病异常步态特征分析。方法基于惯性步态传感器获得不同部位的冠状面-矢状面角度变化信息,反向重建步态空间矢量,构建运动曲线,形成基于三维空间角度矢量距离的运动对称性检测方法。于2017年7月至2018年1月对健康人(正常组)和单纯前交叉韧带(ACL)断裂患者(ACL组)进行特征分析,验证其效果。结果小腿、大腿和膝关节不对称度D方面两组有较好的区分效果(P0.05)。其中小腿空间运动矢量特征对组间辨识度较高且区分相对稳定,与性别、年龄、身高、体质量指数无关。结论通过两侧惯性传感器获得左右肢体时间-冠状面-矢状面空间曲线图,在三维空间中计算相应周期所有时间点的欧式空间距离平方的平均值,可作为步态不对称度分析方法。     

基于惯性传感单元的步行膝关节载荷预测

目的：基于惯性传感单元构建步态过程中膝关节力学载荷的计算方法。方法：将4个惯性传感器分别固定在志愿者的躯干、大腿、小腿和足的接近质心位置,光学动作捕捉系统和力台同步采集运动学数据。构建人体运动生物力学模型,结合Ortho Load髋关节力学载荷数据库中的标准数据,计算志愿者膝关节力学载荷。结果：步态中,基于惯性传感单元计算的膝关节力学载荷与膝关节数据库、三维光学动作捕捉系统和力台相比,膝关节力在矢状面具有良好的相关性,平均相关系数分别为0.76和0.97,膝关节力矩在矢状面具有良好的相关性,平均相关系数分别为0.85和0.93。结论：基于惯性传感单元的运动数据采集系统和建模计算方法真实可靠,可为准确捕捉多运动场景下膝关节的力学载荷提供解决方案。     

脑卒中偏瘫步态的时空参数与骨盆运动学分析

目的:探讨脑卒中偏瘫步态的时空参数与骨盆的运动学变化特征,从而为其康复治疗提供有价值的依据。方法:运用三维运动解析系统,对符合纳入标准的10例缺血性脑卒中偏瘫步态者进行步态分析,与其基本情况相匹配的健康者10例作为对照。评价两组间在时-空参数、步态周期方面的差异及偏瘫步态者骨盆运动在矢状面、横断面与冠状面上的运动变化特征。结果:脑卒中偏瘫步态者步行速度减慢,步频降低,步宽加大,步长缩短,且健侧步长缩短更为明显。患侧双支撑期在步态周期中所占的比例增加,单支撑期所占的比例减少。健侧支撑期、双支撑期在步态周期中所占的比例增加,摆动期所占的比例减少,健侧在步行中起代偿作用。偏瘫步态骨盆运动表现为骨盆横断面上的旋转度增加和矢状面上倾斜度的增加。结论:三维运动解析系统测试可定量评价与分析偏瘫患者步行功能,定量评价偏瘫患者骨盆运动变化,从而有益于治疗计划的制定。     

基于视频图像边缘检测的人体下肢运动步态*☆

背景:步态规律主要应用人体行走的运动学、动力学等参数进行描述.目前在运动医学、康复工程和仿生学等领域,步态分析可为确定疾病诊断、康复和治疗方案提供重要依据. 目的:应用基于人体运动图像的测量装置系统,采集人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频,分析人体步态运动规律. 方法:采用基于双摄影机的人体运动图像捕捉系统,在人体的左右髋关节、膝关节、踝关节及脚板设置标识点,对人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频进行采集.应用图像边缘检测的原理,对测量数据进行了图像处理和分析,得到人体正常步速行走时,左右大腿与竖直方向夹角、小腿与竖直方向夹角、脚板与竖直方向夹角及膝关节、踝关节标识点的关节角度变化规律. 结果与结论:基于视频图像边缘检测人体下肢的运动步态,成本相对低廉,数据误差较小,精度与进口设备较接近.应用该测量结果初步构建了人体步态行走数据库,为建立步态评定标准、异常步态判别以及进一步的康复治疗提供了依据.     

主动型仿生踝关节假肢的设计

背景：与髋、膝关节假肢设计相对比较成熟的技术相比,踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分,也是最为灵活的部分,一直以来研究都比较滞后,相关的假肢踝关节产品未能很好的满足假肢患者的需求。目的：从生物力学、解剖学和生理学角度出发,设计和研制出能在矢状面内做屈伸运动的主动型仿生踝关节假肢装置。方法：根据仿生学原理和人体踝关节在步态行走时的受力特点和生理功能,建立二自由度的主动型仿生踝关节的力学模型,设计假肢踝关节的机械结构与控制系统,其主要部件包括仿生踝关节系统、辅助装置、数据控制系统和数据采集系统。结果与结论：利用研制出的踝关节装置进行系统测试,使用正常人行走时的踝关节角度数据作为输入信号,以步进电机作为动力驱动实现模拟踝关节的运动,通过数据采集系统获得输出的角度数据。测试结果表明仿生踝关节能够跟随输入角度数据运动,实现了仿生踝关节跟随运动的预期目标。     

主动型仿生踝关节假肢的设计

背景:与髋、膝关节假肢设计相对比较成熟的技术相比,踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分,也是最为灵活的部分,一直以来研究都比较滞后,相关的假肢踝关节产品未能很好的满足假肢患者的需求.目的:从生物力学、解剖学和生理学角度出发,设计和研制出能在矢状面内做屈伸运动的主动型仿生踝关节假肢装置.方法:根据仿生学原理和人体踝关节在步态行走时的受力特点和生理功能,建立二自由度的主动型仿生踝关节的力学模型,设计假肢踝关节的机械结构与控制系统,其主要部件包括仿生踝关节系统、辅助装置、数据控制系统和数据采集系统.结果与结论:利用研制出的踝关节装置进行系统测试,使用正常人行走时的踝关节角度数据作为输入信号,以步进电机作为动力驱动实现模拟踝关节的运动,通过数据采集系统获得输出的角度数据.测试结果表明仿生踝关节能够跟随输入角度数据运动,实现了仿生踝关节跟随运动的预期目标.     

不同硬度地面对功能性踝关节不稳患者步态协调性的影响

目的 探索不同硬度地面对功能性踝关节不稳(FAI)患者步态协调性的影响。方法 2023年5月至7月,采用Qualisys红外光学运动捕捉系统对南京师范大学15例右侧FAI患者协调性和变异性进行测试。采集并截取步态周期数据,运用Matlab计算耦合角和耦合角标准差,比较在不同硬度地面上的差异。结果 在冠状面,髋-踝关节耦合角在支撑中期和支撑后期硬地面大于软地面,其他步态阶段以及髋-膝关节、膝-踝关节各步态阶段均小于软地面(P <0.05);在矢状面,髋-踝关节和膝-踝关节耦合角在支撑中期和支撑后期硬地面小于软地面,其他步态阶段以及髋-膝关节各步态阶段均大于软地面(P <0.01);在水平面,髋-膝关节耦合角在支撑后期硬地面小于软地面,摆动前期和髋-踝关节承重期均大于软地面(P <0.05)。与硬地面相比,软地面上耦合角标准差仅在矢状面髋-膝关节承重期小于硬地面,其余均大于硬地面(P <0.05)。结论 FAI患者在三维面内各步态阶段在软地面上表现出更多的远端主导,即踝关节内翻跖屈优势增加,髋关节优势减少;协调变异性普遍高于硬地面。表明FAI患者在软地面上步行时会增...     

偏瘫步态膝关节角度分析

目的：定量分析偏瘫患者步行周期中膝关节的异常,从而为康复训练提供依据。方法：采集30例偏瘫患者和年龄、身高、体重匹配的30例正常人的行走影像,应用美国peak运动解析系统进行步态分析。结果：偏瘫患者患侧和健侧膝关节初始着地时刻（4.49±6.16,14.02±8.49）、站立相最大伸展角度（-0.89±3.86,3.18±5.47）、摆动相最大屈曲角度（23.11±10.54,30.28±10.52）、矢状面膝关节角度范围（27.94±8.06,28.94±10.10）均与正常人存在显著差异。结论：通过分析偏瘫患者膝关节角度,可以帮助确定偏瘫步态基本特征,为分析步态异常原因并制定针对性的步态矫正方案提供依据。     

偏瘫步态髋关节角度研究

目的分析偏瘫患者步态的髋关节角度特征。方法对20例偏瘫患者和年龄、身高、体重匹配的20例正常人进行步态分析,分析其髋关节特征。结果偏瘫患者患侧髋关节首次着地时刻、站立相最大伸展角度、足尖离地时关节角度、迈步相最大屈曲角度、矢状面膝关节角度范围与正常人的差异存在显著性意义。结论研究偏瘫步态髋关节特征可协助进行临床评价及制定针对性步态矫正方案。     

基于LifeMOD的个性化人工膝关节设计中的生物力学分析

目的:探讨个性化设计的人工膝关节植入人体后的生物力学响应。方法:基于生物力学数字仿真软件LifeMOD,建立健康人体及人工膝关节置换术后人体步行的运动/动力学模型,对人体在步行过程中的运动和内部受力情况进行分析。结果:仿真得到整个步态周期中膝关节的运动的角位移、关节接触力以及韧带和肌肉的载荷曲线,通过对比分析,可知本文所设计的人工膝关节在步态特性方面较理想地复制了正常的膝关节。结论:本研究对探索人工膝关节的动态生物力学特性和关节假体的设计、性能评价以及临床应用等有重要意义。     

脊柱导航手术机器人寰枢椎椎弓根的双置入方法

背景：寰枢椎椎弓根内固定具有良好的生物力学效果,但凶其椎弓根容积小、个体差异大,与脊髓、椎动脉及神经根等组织毗邻等原因使这一内固定技术的推广应用受到限制,寰枢椎椎弓根置入精度有待进一步提高。目的：探索自主研制的脊柱导航手术机器人进行寰枢椎椎弓根双置入的原理,以建立一种精度更高、更为安全且简便易行的新方法。方法：置入前在头尾侧等分椎弓根的寰枢椎CT剖面图像上,于正中矢状线两侧、椎骨后部弧形骨线l各选取一点,其联线构成一条横线：位于该横线与切过寰枢椎后部最远点的水平线间的正中矢状线构成一条竖线,这样就在寰枢椎椎骨上即体内设置了一条长度已知且相互垂直的横线与竖线。术中在双置入机器手两定位杆尖端间和线配准器上各设定一条相互垂直的横线和竖线,即体外横线和竖线,其长度分别与体内横线和竖线相等。通过X射线侧位透视,将体内和体外的横线与竖线配准,并使两定位杆的尖端紧压寰椎后弓骨面,从而确定寰枢椎椎骨的正中矢状面、冠状面及水平面。设定双黄入机器手两导针中心轴线间的距离与左右两置入点问的距离相等,且其中心轴线与正中面的夹角与术前测量的椎弓根中心轴线与正中矢状线的必角相等,实时动态监测下,脊柱导航手术机器人沿椎弓根中心轴线准确双侧置入。结果与结论：应用脊柱导航手术机器人行寰枢椎椎弓根双置入,当体内、外的横线及竖线配准及双置入机器手两定位杆的尖端紧密接触弧形骨面时,两导针的尖端只能落在左右椎弓根的置入点上。实时动态监测下,可保证沿寰枢椎左右椎弓根中一山轴线准确双臂入。     

脊柱导航手术机器人寰枢椎椎弓根的双置入方法

背景:寰枢椎椎弓根内固定具有良好的生物力学效果,但因其椎弓根容积小、个体差异大,与脊髓、椎动脉及神经根等组织毗邻等原因使这一内固定技术的推广应用受到限制,寰枢椎椎弓根置入精度有待进一步提高。目的:探索自主研制的脊柱导航手术机器人进行寰枢椎椎弓根双置入的原理,以建立一种精度更高、更为安全且简便易行的新方法。方法:置入前在头尾侧等分椎弓根的寰枢椎CT剖面图像上,于正中矢状线两侧、椎骨后部弧形骨线上各选取一点,其联线构成一条横线;位于该横线与切过寰枢椎后部最远点的水平线间的正中矢状线构成一条竖线,这样就在寰枢椎椎骨上即体内设置了一条长度已知且相互垂直的横线与竖线。术中在双置入机器手两定位杆尖端间和线配准器上各设定一条相互垂直的横线和竖线,即体外横线和竖线,其长度分别与体内横线和竖线相等。通过X射线侧位透视,将体内和体外的横线与竖线配准,并使两定位杆的尖端紧压寰椎后弓骨面,从而确定寰枢椎椎骨的正中矢状面、冠状面及水平面。设定双置入机器手两导针中心轴线间的距离与左右两置入点间的距离相等,且其中心轴线与正中面的夹角与术前测量的椎弓根中心轴线与正中矢状线的夹角相等,实时动态监测下,脊柱导航手术机器人沿椎弓根中心轴线准确双侧置入。结果与结论:应用脊柱导航手术机器人行寰枢椎椎弓根双置入,当体内、外的横线及竖线配准及双置入机器手两定位杆的尖端紧密接触弧形骨面时,两导针的尖端只能落在左右椎弓根的置入点上。实时动态监测下,可保证沿寰枢椎左右椎弓根中心轴线准确双置入。     

脊柱-骨盆矢状面平衡及其在脊柱疾病治疗中的作用

背景:相关临床研究显示,脊柱相关退行性疾病患者的脊柱-骨盆矢状面平衡参数均有不同程度的特征性变化. 目的:探讨脊柱-骨盆矢状面平衡及其在脊柱疾病治疗中的作用. 方法:分析脊柱-骨盆矢状面平衡的测量参数与测量方法及在成人脊柱疾病诊治中的量化及重要参数,以及各参数与生存质量之间的关系,评价脊柱疾病矫治后效果及脊柱-骨盆矢状面平衡在脊柱疾病治疗中的作用. 结果与结论:脊柱矢状面形态与骨盆参数密切相关,脊柱矢状面曲线分型也采用骨盆参数,骨盆矢状面参数与脊柱矢状面参数存在明显的统计学的相关性,脊柱-骨盆矢状面平衡参数是评价脊柱疾病及治疗预后的重要指标,评价脊柱-骨盆矢状面平衡变化时应包括对骨盆和脊柱形态等参数的研究.     

双侧痉挛型脑瘫患儿的步态特征分析

目的 研究双侧痉挛型腩瘫患儿的步态特征.方法 对26例痉挛型脑瘫患儿进行步态分析.结果 和结论脑瘫患儿步态时空参数(跨步周期、跨步长、站立相时间、步频、步速)和运动学参数(髋关节、膝关节、踝关节首次着地屈曲角度,站立相最大伸展角度,足尖离地时关节角度,迈步相最大屈曲角度,矢状面关节角度范围)与正常儿童存在显著差异.     

踝足矫形器对脑性瘫痪患儿步态功能的改善作用

脑性瘫痪丰要影响患儿的行走功能,出现异常低效的步态模式,矫形器足用于改变神经肌肉和骨骼系统的机能特性或结构的体外使用装置,在矫形器治疗中使用最多的是踝足矫形器.踝足矫形器能够在踝足矢状面、碰状面、水平面3个平面提供合理的运动控制,保持关节的力线排列,促进功能,改善步态,是脑瘫患儿改善步态较为理想的矫形器.踝足矫形器在使用时也存在一些问题,比如关节活动范围受限,导致肌肉功能受限,因为加重了局部皮肤受压,容易引起感染等.正因为有这些不足,多年来临床医生与科研工作者一直在寻求各种各样的改良方式,如在现有标准踝足矫形器作用的基础上.附加某些治疗或保护性功能,以期获得更好的临床效果.为患者设计与装配最为合适的、个性化的踝足矫形器,是矫形器制作和设计的发展发向.     

Kinect在肢残者运动姿态识别中的应用及有效性研究

目的:比较Kinect是否能替代传统运动捕捉设备用于肢残者运动姿态研究。方法:将30例受试者分成两组分别在Kinect与VICON运动捕捉系统下进行实验,并对各组数据进行预处理,利用皮尔逊系数相关法,验证两组受试者各个关节角之间的相关性,对各关节角相关性强度进行评定。结果:关联性较高的数据为矢状面数据,髋、膝、背曲、腰部屈伸等关节V-K(VICON与Kinect)数据相关性最高(r0.7)。假肢者的姿态识别中V-K相关性系数低于健体者(r2r1)。假肢者的髋、膝、背曲等关节相关性系数差异不大,健体者与假肢者的肘关节数据相关性系数差异性较大。结论:Kinect替代VICON需从采集的关节角的映射面、任务及被试者三方面考虑,在人体矢状面、任务过程中有较少自遮挡关节点、被试者能够自由完成规定任务动作情况下,Kinect可以作为有效替代工具研究人体姿态识别。     

下肢助力机器人动力学分析与应用

背景：2005年成功研制出下肢康复机器人系统,该机器人通过中心控制系统和步态、姿态控制系统互相协调,带动下肢各种运动,从而达到恢复下肢功能的目的。目的：对下肢康复助力机器人做动力学分析。方法：该系统为一个复杂的动力系统,由多个关节和多个连杆组成,具有多个输入和多个输出,分析其运动和作用力之间的关系。通过运动信息感知网,实现机器人系统主动为使用者提供完成髋关节屈/伸、旋内/旋外及外展/内收功能恢复动作的助力支持。结果与结论：利用动力学方程完成人-机混合系统的控制。减小人体感受的运动强度,使练习者能充分完成功能恢复动作,随着康复者下肢力量的加强和动作的熟练程度的提高,通过改变系统控制参数,系统会逐步减少对其助力支持,直到康复。