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1、步态分析方案设计报告说明：我看了五篇关于步态分析的文献，并对其具体实验方法进行归纳。五篇文 献的原文在文件夹中。最后为我的方案设计。、A practical gait analysis system using gyroscop 陀es 螺仪分析步态 本研究是 为了调查使用单轴陀螺仪来研制简单便携步态分析系统的可行性。陀螺仪绑在小腿和大腿的 皮肤表面，记录小腿和大腿角速度。这两部分的倾斜度和膝关节角度都来自角速度。使 用从运动分析系统得到的信号来评估角速度和陀螺仪传来的信号，发现这些信号有不错的 相关性。当转身时，腿部倾斜度和角度信号会发生漂移，有两种方法来解决这个问题： （ 1）自动复位系统
2、，重新初始化每个步态周期的角度；（ 2）高通滤波。两种方法都能很 好的纠正漂移。小腿部的单陀螺仪可以提供以下信息：腿部倾斜度、摆动频率、步数以 及步幅和步速的估计。具体方法：受试者在步态实验室沿直线行走进行陀螺仪数据收集，陀螺仪用绳子固定在大腿和小 腿部，感测轴沿中间-横向方向，以测量矢状平面中的角度。两个人加入测试，个是不完整的脊髓损伤，个没有损伤。运动分析系统使用 各部分解剖学位置的回射标记物来评估腿部的偏移、腿部的角速度和膝角度。实验开始前 5s，受试者直立站立以初始化倾斜角度和陀螺仪的偏置，随后，对象以一个自己喜欢的速度 沿预定路径行走。进行了三组实验来分析陀螺仪的性能，并计算步幅、步
3、态周期时间和每 次行走期间的速度。第一个实验，数据来自两小腿上陀螺仪的信号，并与未损伤者进行比 较。后两个实验是陀螺仪的数据与运动分析系统进行比较。第一个实验是比较小腿不同位 置的陀螺仪信号，对于同一小腿上的两个点，先站立后倾斜，两个点的角速度、角度应该 是相同的，陀螺 仪一个放在胫骨关节处，一个放在胫骨靠近踝关节10cm处。第二个实验一 个放 置在大腿髌骨上方10cm处，一个在胫骨靠近踝关节10cm处，记录的是陀螺仪的角 速度。第三个实验，陀螺仪放置于第二个相同，受试者直行4.5m然后转身180。二、Acoustic Gaits: Gait Analysis With Footstep So
4、und 声 s 步态 我们描述的是声 步态从人正常行走时的脚步声推导人的自然步态特征。我们引入了步态轮廓，这是从通过麦克风收集的脚步声时间信号得到的，可以说明某些时 空步态参数，这些参数是通过对声步态轮廓的三个时间信号分析方法提取，三个时间信号 分别是平方能量估计、希尔伯特变量和Teager - Kaiser能量。通过对这些参数估计的统 计学分析，我们发现从步态轮廓获得的时空参数和步态特征可以连续可靠地评估目前用于 标准化步态评估的临床和生物测定步态参数 信息。我们的结论是Teager - Kaiser能量可 以在不同时间、地点提供最稳定的步态参数估计。相对于目前实验室步态分析中使用的昂贵 侵
5、入式系统，如测力台、压力垫、可穿戴传感器，声步态使用便宜的麦克风和计算设备制 成了准确非侵入式的步态分析系统，而且实验室的一些系统会改变正在测量的步态参数。具体方法：在一个安静的房间中使用16个麦克风记录走路的声音以建立数据库，一个视频摄像 头进行视频拍摄。一共十个受试者加入测试，记录两个场景的数据，第一个是围绕实验 室以正常速度顺时针15圈再逆时针15圈，第二个是穿着不同的鞋顺时针10圈再逆时针 10 圈，如此循环3次，然后对收集到的声音信号进行处理。三、Gait analysis using gravitational acceleration measured by wearable s
6、ensor重力加速度分析步态本研究提供了一种使用可穿戴传感器单元进行人体步态姿势测量的新方法。传感器包 括三轴加速度传感器、三个与三轴方向一致的陀螺仪传感器。使用戴在腹部和下肢（大 腿、小腿和脚）的7个传感器测量走路时的加速度和角速度。从每个部分的长度和角度来 计算各关节的三维位置。各关节的角度可以通过机器来从沿各部分前轴线的重力加速度来 估计。然而，行走时的加速度数据包括了：平移加速度、重力加速度和外部噪声，因 此，从加速度数据中分离出加速度数据是一种比较理想的分析方法。在恒速行走时，加速度 数据具有周期性，因此，可以通过FFT分析获得它的一些特征频率，并利用这些特征频率 的某些部分来估计重
7、力加速度。每个关节的姿态通过对在其生理运动范围条件下的状态进行 估计。通过反馈来作为重力加速度的一个优化方案。测量了三个健康志愿者在平坦地面行 走20s的步态，同时测量每个部位的加速度数据。三维行走可以用简笔画模式来进行表 达，另外，在水平平面上的膝关节运动可以通过在PC上的视觉成像进行检查，因此此方法 提供了定量步态诊断信息。具体方法： 使用倾斜度和每个部位的长度来估计关节的三维位置。各部位的长度从视频中进行测 量，倾斜角就等于加速度传感器上的数据。对数据进行FFT分析、波 分解、重力加速度的 测定。三个被试加入实验，都没有残疾或受伤历史，在平滑的地面直行20s，速度由测试者 自己决定。测量
8、臀部的宽度、髋关节到膝关节的长度、膝关节到踝关节的长度。我认为，在此试验中，一共只有三个被试，会导致所得结果的普适性很低，而且全部 都是健康没有残疾或受伤历史的人，无法对残疾患者步态进行分析，应该加入更多的被 试，并且被试中应有健康人，也有残疾人，并对他们的数据进行对比分析。四、Kinetic Gait Analysis Using a Low-Cost Insole 用鞋垫分析运动步态分析中风或其他病理原因引起的不正常步态极大地影响了一个人的生活，能够测量和分析 步态通常是康复的关键。运动分析实验室和当前许多步态分析方法都比较贵而不能被大多 数人使用。本系统的低成本、耐磨和无线鞋垫通过低成本
9、的力敏电阻提供了步态的动力学 测量。本文介绍了鞋垫的设计和制造以及其在六个对照组和四个偏瘫患者的评估。特定的 线性回归模型用于确定地面反作用力和力矩以及相应的踝关节屈/跖，膝关节屈曲/伸展， 膝关节外展/内收。与同时收集临床运动分析实验数据的比较表明，对所有人，鞋垫的地 面反作用力和踝关节力矩结果相关性很高（都大于0.95），而与两个踝关节的相关性稍低 （一般大于0.80）。本研究提供了一个低成本、高效的移动步态分析方法，此方法可以 用于从大型诊所到个人家庭的任何地方。具体方法：具有12 个力敏电阻传感器的鞋垫装配到受试者的鞋里，如下图。6个对照被试、4 个中风患者加入实验，所有受试者签署知情
10、同意书。运动分析设备包括红外运动捕捉相 机，两个多轴测力板，还使用了标准下体侵入式步态标记材料。标记物和模拟信号采样频率 为200Hz，使用Vicon Nexus软件进行标记、建模、分析，以及标记数据、模拟数据的导 出。鞋垫数据以118Hz无线发送到平板电脑。两个系统的数据通过力敏电阻器和测力板来 同步。五、Gait analysis of patients with knee osteoarthritis before and after Chinese massage treatment 膝关节骨性关节炎患者的中国按摩治疗的前后步态分析这项 研究的目的是评估中国按摩治疗在患者的有效性与膝关
11、节骨性关节炎（0A）通过测量下肢步 态参数。招募了20名膝骨关节炎患者，然后每周3次接受中国按摩治疗2周。的患者使 用六摄像机红外运动分析系统进行步态评估。他们完成了西安大略和麦克马斯特大学骨关节 炎指数调查表之前和之后治疗。计算了前进速度，步长宽度，步长，总支持时间百分比，初 始双支持时间百分比，单支持时间百分比。还测量在站立期间在膝盖，髋部和脚踝的角度阶 段的步行。结果显示统计学意义治疗后膝关节疼痛缓解，硬度减轻和身体功能增强的显着 平均差异（P 0.05）。患者获得显着更快的步态速度，更大的步宽，并增加总支持时间百 分比中国按摩治疗（P 0.05）。曾经有在运动范围内没有显着差 异在步行
12、站立阶段期间 膝，髋或脚踝的初始接触角。得出结论中国按摩是一个有益的补充治疗和膝关节0A患者的 短期疼痛缓解的替代疗法选择。中国按摩可以提高这些患者行走能力。具体方法：招募诊断为膝骨关节炎的 20名女性，主要体格检查包括确定运动范围（ ROM ）和膝盖疼痛的 位置。前抽屉试验用于评估前十字韧带的损伤，并且使用McMurray测试来确定 是否有半月板损 伤。膝关节0A患者每周三次进行25至30分钟的中国按摩治疗为期2周，由专业的中国按摩治 疗师提供。每个会议包括按和拇指揉在八个穴位世界后健康组织标准 针灸点位置 14周围膝盖区 域。在步态实验室所有患者进行赤足步行试验，他们自己选择舒 适的步行速
13、度。记录每个肢体的 成功步态周期，每个患者，由测试领导视觉验证。海伦2海斯反光标记集用于测定三维运动学数据，使用六摄像机红外运动分析获得系统。使用EvaRT进行 数据收集，使用OrthoTrak分析软件评估数据。步态分析方案：利用三轴加速度传感器实现人体步态分析一、方案背景1.步态分析研究现状目前主流的步态特征分析是基于计算机视觉或在装备 了复杂测试设备和分析工具的步态实验室完成，易受动态环境中多方面因 素影响 ,数据处理复杂度高 ,而在步态实验室进行的步态特征分析由于设 备和场地的限制 ,难以普及。2.方案目的和意义 设计一套采集步态加速度数据的装置对步态做出分析， 最终能得 出步态分析中的
14、步态基本特征。 本文设计步态数据采集装置能准 确提 取步态加速度信号 ,对用户的影响小 ,不干扰人的正常活动 。采用 的 步态参数提取方法能有效地分析测试对象的步态特征 。分析得到的 步 长、步频、步速几种步态特征之间的相互关系。二、方案依据和指导思想 1.三轴加速度传感器MPU6050虽然人在做剧烈运动时加速度值可能达到12 g n , 但人的躯干的加速度值不会超过 6 g n ,因此 ,用于采集人的步行的加速度传感 器 的精度范围大多选取在 6 g n 以内。本设计采用的三轴加速度 传感器 MPU6050就可以满足这个要求。图 1.MPU6050三轴加速度传感器模块正面由于三轴加速度传感器
15、的 X，Y，Z 三个轴互相垂直，比用三个单 轴 加速度传感器或者一个单轴加速度传感器加一个两轴加速度传感 器更有优 势，节省电路元件，节省空间，避免造成不必要的干扰。MPU6050相较于 多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差 的问题，减少了大量 的封装空间。 用户可程式控制的加速器全格感测 范围为 2g、 4g8g 与 16g。MPU6050 加速度传感器应用十分广泛，比如：手机和便携式游戏，各自游戏控制器，3d网络连接遥控器，机顶盒,3d小鼠，可穿戴传 感器对健康、健身和体育，玩具等。2. 正常步态分析行走时左右足跟 （ 或趾尖）间的纵间距离称为步长 , 而同侧足跟 （ 或趾尖）
16、两次着地间的距离称为步周长或步幅。步长与身高显著相 关，中国青年男性的步长约为55.077.5cm ,女性约为50.070.0 cm。身高相同的男 女性步长无显著性差异，并且步长随着年龄的增大 而下降 。正常的步态具有稳定性 周期性和节律性以及个体差异性。由 于人 自然行走的步态加速度信号是准周期的时变信号 ， 如果把人放 在三维空间 中，人在行走时上下前后左右会有周期性的加速度变化。自相关函数 R xx 提供了信号与其平移 m 时间后所得信号之间 关联 程度的测度 。周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号 但不保留原 信号的相位信息 。并且 ，周期信号的自相关系数在等同 于信号周期的延迟 时取值最大 。因此 ，自相关函数曲线可反映信号 自身的周期性和噪声水 平 。一个信号 x（ n） ， n =1 ， 2 ， N 的无偏 自相关函数定义为 ：N |m|R xx
