步態(tài)分析實驗報告

步態(tài)分析實驗報告步態(tài)分析方案設計報告說明：我看了五篇關于步態(tài)分析的文獻，并對其具體實驗方法進行歸納。五篇文獻的原文在文件夾中。最后為我的方案設計。一、Apracticalgaitanalysissystemusinggyroscopes陀螺儀分析步態(tài)本研究是為了調查使用單軸陀螺儀來研制簡單便攜步態(tài)分析系統(tǒng)的可行性。陀螺儀綁在小腿和大腿的皮膚表面，記錄小腿和大腿角速度。這兩部分的傾斜度和膝關節(jié)角度都來自角速度。使用從運動分析系統(tǒng)得到的信號來評估角速度和陀螺儀傳來的信號，發(fā)現(xiàn)這些信號有不錯的相關性。當轉身時，腿部傾斜度和角度信號會發(fā)生漂移，有兩種方法來解決這個問題：（1）自動復位系統(tǒng)，重新初始化每個步態(tài)周期的角度；（2）高通濾波。兩種方法都能很好的糾正漂移。小腿部的單陀螺儀可以提供以下信息：腿部傾斜度、擺動頻率、步數(shù)以及步幅和步速的估計。具體方法：受試者在步態(tài)實驗室沿直線行走進行陀螺儀數(shù)據(jù)收集，陀螺儀用繩子固定在大腿和小腿部，感測軸沿中間-橫向方向，以測量矢狀平面中的角度。兩個人加入測試，一個是不完整的脊髓損傷，一個沒有損傷。一運動分析系統(tǒng)使用各部分解剖學位置的回射標記物來評估腿部的偏移、腿部的角速度和膝角度。實驗開始前5s，受試者直立站立以初始化傾斜角度和陀螺儀的偏置，隨后，對象以一個自己喜歡的速度沿預定路徑行走。進行了三組實驗來分析陀螺儀的性能，并計算步幅、步態(tài)周期時間和每次行走期間的速度。第一個實驗，數(shù)據(jù)來自兩小腿上陀螺儀的信號，并與未損傷者進行比較。后兩個實驗是陀螺儀的數(shù)據(jù)與運動分析系統(tǒng)進行比較。第一個實驗是比較小腿不同位置的陀螺儀信號，對于同一小腿上的兩個點，先站立后傾斜，兩個點的角速度、角度應該是相同的，陀螺儀一個放在脛骨關節(jié)處，一個放在脛骨靠近踝關節(jié)10cm處。第二個實驗一個放置在大腿髕骨上方10cm處，一個在脛骨靠近踝關節(jié)10cm處，記錄的是陀螺儀的角速度。第三個實驗，陀螺儀放置于第二個相同，受試者直行4.5m然后轉身180°。二、AcousticGaits:GaitAnalysisWithFootstepSounds聲步態(tài)我們描述的是聲步態(tài)——從人正常行走時的腳步聲推導人的自然步態(tài)特征。我們引入了步態(tài)輪廓，這是從通過麥克風收集的腳步聲時間信號得到的，可以說明某些時空步態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)是通過對聲步態(tài)輪廓的三個時間信號分析方法提取，三個時間信號分別是平方能量估計、希爾伯特變量和Teager–Kaiser能量。通過對這些參數(shù)估計的統(tǒng)計學分析，我們發(fā)現(xiàn)從步態(tài)輪廓獲得的時空參數(shù)和步態(tài)特征可以連續(xù)可靠地評估目前用于標準化步態(tài)評估的臨床和生物測定步態(tài)參數(shù)信息。我們的結論是Teager–Kaiser能量可以在不同時間、地點提供最穩(wěn)定的步態(tài)參數(shù)估計。相對于目前實驗室步態(tài)分析中使用的昂貴侵入式系統(tǒng)，如測力臺、壓力墊、可穿戴傳感器，聲步態(tài)使用便宜的麥克風和計算設備制成了準確非侵入式的步態(tài)分析系統(tǒng)，而且實驗室的一些系統(tǒng)會改變正在測量的步態(tài)參數(shù)。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第1頁。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第1頁。具體方法：在一個安靜的房間中使用16個麥克風記錄走路的聲音以建立數(shù)據(jù)庫，一個視頻攝像頭進行視頻拍攝。一共十個受試者加入測試，記錄兩個場景的數(shù)據(jù)，第一個是圍繞實驗室以正常速度順時針15圈再逆時針15圈，第二個是穿著不同的鞋順時針10圈再逆時針10圈，如此循環(huán)3次，然后對收集到的聲音信號進行處理。三、Gaitanalysisusinggravitationalaccelerationmeasuredbywearablesensor重力加速度分析步態(tài)本研究提供了一種使用可穿戴傳感器單元進行人體步態(tài)姿勢測量的新方法。傳感器包括三軸加速度傳感器、三個與三軸方向一致的陀螺儀傳感器。使用戴在腹部和下肢（大腿、小腿和腳）的7個傳感器測量走路時的加速度和角速度。從每個部分的長度和角度來計算各關節(jié)的三維位置。各關節(jié)的角度可以通過機器來從沿各部分前軸線的重力加速度來估計。然而，行走時的加速度數(shù)據(jù)包括了：平移加速度、重力加速度和外部噪聲，因此，從加速度數(shù)據(jù)中分離出加速度數(shù)據(jù)是一種比較理想的分析方法。在恒速行走時，加速度數(shù)據(jù)具有周期性，因此，可以通過FFT分析獲得它的一些特征頻率，并利用這些特征頻率的某些部分來估計重力加速度。每個關節(jié)的姿態(tài)通過對在其生理運動范圍條件下的狀態(tài)進行估計。通過反饋來作為重力加速度的一個優(yōu)化方案。測量了三個健康志愿者在平坦地面行走20s的步態(tài)，同時測量每個部位的加速度數(shù)據(jù)。三維行走可以用簡筆畫模式來進行表達，另外，在水平平面上的膝關節(jié)運動可以通過在PC上的視覺成像進行檢查，因此此方法提供了定量步態(tài)診斷信息。具體方法：使用傾斜度和每個部位的長度來估計關節(jié)的三維位置。各部位的長度從視頻中進行測量，傾斜角就等于加速度傳感器上的數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行FFT分析、波分解、重力加速度的測定。三個被試加入實驗，都沒有殘疾或受傷歷史，在平滑的地面直行20s，速度由測試者自己決定。測量臀部的寬度、髖關節(jié)到膝關節(jié)的長度、膝關節(jié)到踝關節(jié)的長度。我認為，在此試驗中，一共只有三個被試，會導致所得結果的普適性很低，而且全部都是健康沒有殘疾或受傷歷史的人，無法對殘疾患者步態(tài)進行分析，應該加入更多的被試，并且被試中應有健康人，也有殘疾人，并對他們的數(shù)據(jù)進行對比分析。四、KineticGaitAnalysisUsingaLow-CostInsole用鞋墊分析運動步態(tài)分析步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第2頁。中風或其他病理原因引起的不正常步態(tài)極大地影響了一個人的生活，能夠測量和分析步態(tài)通常是康復的關鍵。運動分析實驗室和當前許多步態(tài)分析方法都比較貴而不能被大多數(shù)人使用。本系統(tǒng)的低成本、耐磨和無線鞋墊通過低成本的力敏電阻提供了步態(tài)的動力學測量。本文介紹了鞋墊的設計和制造以及其在六個對照組和四個偏癱患者的評估。特定的線性回歸模型用于確定地面反作用力和力矩以及相應的踝關節(jié)屈/跖，膝關節(jié)屈曲/伸展，膝關節(jié)外展/內收。與同時收集臨床運動分析實驗數(shù)據(jù)的比較表明，對所有人，鞋墊的地面反作用力和踝關節(jié)力矩結果相關性很高（都大于0.95），而與兩個踝關節(jié)的相關性稍低（一般大于0.80）。本研究提供了一個低成本、高效的移動步態(tài)分析方法，此方法可以用于從大型診所到個人家庭的任何地方。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第2頁。具體方法：具有12個力敏電阻傳感器的鞋墊裝配到受試者的鞋里，如下圖。6個對照被試、4個中風患者加入實驗，所有受試者簽署知情同意書。運動分析設備包括紅外運動捕捉相機，兩個多軸測力板，還使用了標準下體侵入式步態(tài)標記材料。標記物和模擬信號采樣頻率為200Hz，使用ViconNexus軟件進行標記、建模、分析，以及標記數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)的導出。鞋墊數(shù)據(jù)以118Hz無線發(fā)送到平板電腦。兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過力敏電阻器和測力板來同步。GaitanalysisofpatientswithkneeosteoarthritisbeforeandafterChinesemassagetreatment膝關節(jié)骨性關節(jié)炎患者的中國按摩治療的前后步態(tài)分析這項研究的目的是評估中國按摩治療在患者的有效性與膝關節(jié)骨性關節(jié)炎（OA）通過測量下肢步態(tài)參數(shù)。招募了20名膝骨關節(jié)炎患者，然后每周3次接受中國按摩治療2周。的患者使用六攝像機紅外運動分析系統(tǒng)進行步態(tài)評估。他們完成了西安大略和麥克馬斯特大學骨關節(jié)炎指數(shù)調查表之前和之后治療。計算了前進速度，步長寬度，步長，總支持時間百分比，初始雙支持時間百分比，單支持時間百分比。還測量在站立期間在膝蓋，髖部和腳踝的角度階段的步行。結果顯示統(tǒng)計學意義治療后膝關節(jié)疼痛緩解，硬度減輕和身體功能增強的顯著平均差異（P<0.05）?；颊攉@得顯著更快的步態(tài)速度，更大的步寬，并增加總支持時間百分比中國按摩治療（P<0.05）。曾經(jīng)有在運動范圍內沒有顯著差異在步行站立階段期間膝，髖或腳踝的初始接觸角。得出結論中國按摩是一個有益的補充治療和膝關節(jié)OA患者的短期疼痛緩解的替代療法選擇。中國按摩可以提高這些患者行走能力。具體方法：招募診斷為膝骨關節(jié)炎的20名女性，主要體格檢查包括確定運動范圍（ROM）和膝蓋疼痛的位置。前抽屜試驗用于評估前十字韌帶的損傷，并且使用McMurray測試來確定是否有半月板損傷。膝關節(jié)OA患者每周三次進行25至30分鐘的中國按摩治療為期2周，由專業(yè)的中國按摩治療師提供。每個會議包括按和拇指揉在八個穴位世界后健康組織標準針灸點位置14周圍膝蓋區(qū)域。在步態(tài)實驗室所有患者進行赤足步行試驗，他們自己選擇舒適的步行速度。記錄每個肢體的成功步態(tài)周期，每個患者，由測試領導視覺驗證。海倫·海斯反光標記集用于測定三維運動學數(shù)據(jù)，使用六攝像機紅外運動分析獲得系統(tǒng)。使用EvaRT進行數(shù)據(jù)收集，使用OrthoTrak分析軟件評估數(shù)據(jù)。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第3頁。步態(tài)分析方案：步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第3頁。利用三軸加速度傳感器實現(xiàn)人體步態(tài)分析方案背景步態(tài)分析研究現(xiàn)狀目前主流的步態(tài)特征分析是基于計算機視覺或在裝備了復雜測試設備和分析工具的步態(tài)實驗室完成，易受動態(tài)環(huán)境中多方面因素影響,數(shù)據(jù)處理復雜度高,而在步態(tài)實驗室進行的步態(tài)特征分析由于設備和場地的限制,難以普及。方案目的和意義設計一套采集步態(tài)加速度數(shù)據(jù)的裝置對步態(tài)做出分析，最終能得出步態(tài)分析中的步態(tài)基本特征。本文設計步態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置能準確提取步態(tài)加速度信號,對用戶的影響小,不干擾人的正?；顒?。采用的步態(tài)參數(shù)提取方法能有效地分析測試對象的步態(tài)特征。分析得到的步長、步頻、步速幾種步態(tài)特征之間的相互關系。方案依據(jù)和指導思想三軸加速度傳感器MPU6050步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第4頁。雖然人在做劇烈運動時加速度值可能達到12gn,但人的軀干的加速度值不會超過6gn,因此,用于采集人的步行的加速度傳感器的精度范圍大多選取在±6gn以內。本設計采用的三軸加速度傳感器MPU6050就可以滿足這個要求。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第4頁。圖1.MPU6050三軸加速度傳感器模塊正面由于三軸加速度傳感器的X，Y，Z三個軸互相垂直，比用三個單軸加速度傳感器或者一個單軸加速度傳感器加一個兩軸加速度傳感器更有優(yōu)勢，節(jié)省電路元件，節(jié)省空間，避免造成不必要的干擾。MPU6050相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。MPU6050加速度傳感器應用十分廣泛，比如：手機和便攜式游戲，各自游戲控制器，3d網(wǎng)絡連接遙控器,機頂盒,3d小鼠，可穿戴傳感器對健康、健身和體育，玩具等。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第5頁。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第5頁。正常步態(tài)分析圖2.人體正常行走圖行走時左右足跟(或趾尖)間的縱間距離稱為步長,而同側足跟(或趾尖)兩次著地間的距離稱為步周長或步幅。步長與身高顯著相關,中國青年男性的步長約為55.0～77.5cm,女性約為50.0～70.0cm。身高相同的男、女性步長無顯著性差異,并且步長隨著年齡的增大而下降。正常的步態(tài)具有穩(wěn)定性、周期性和節(jié)律性以及個體差異性。由于人自然行走的步態(tài)加速度信號是準周期的時變信號,如果把人放在三維空間中，人在行走時上下前后左右會有周期性的加速度變化。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第6頁。自相關函數(shù)Rxx提供了信號與其平移m時間后所得信號之間關聯(lián)程度的測度。周期信號的自相關函數(shù)仍然是同頻率的周期信號,但不保留原信號的相位信息。并且,周期信號的自相關系數(shù)在等同于信號周期的延遲時取值最大。因此,自相關函數(shù)曲線可反映信號自身的周期性和噪聲水平。一個信號x(n),n=1,2,…,N的無偏自相關函數(shù)定義為：步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第6頁。,m為任意整數(shù)所以加速度傳感器X和Z軸采集到的加速度信號具有周期性，可以用自相關函數(shù)處理，可以明顯看出X和Z軸的自相關系數(shù)的相鄰峰值，并利用峰值之間的間隔（采樣點數(shù)）和采樣頻率算出步頻的大小，相鄰峰值的采樣點數(shù)、采樣頻率和步頻的關系如下：步頻=60*采樣頻率/相鄰峰值間采樣點數(shù)，步頻單位：次/分鐘研究方法和步驟研究方法由于MPU6050加速度傳感器是利用I2C模式通訊的，所以對傳感器的控制要用帶I2C數(shù)據(jù)傳輸模式的單片機，本文采用MSP430g2553單片機，加速度傳感器其中一個端口AD0管腳接低電平的時候，I2C通訊中作為從機的加速度傳感器的地址為0xD0。單片機采集到的數(shù)據(jù)在可以經(jīng)過串口傳給電腦，剩下的就可以進行數(shù)據(jù)分析了。將MPU6050加速度傳感器和單片機連接好，在將單片機接到電腦上用于采集加速度數(shù)據(jù)，這些組成一個采集加速度的系統(tǒng)。加速度傳感器的X、Y、Z三個方向分別對應測量人體的前后、左右、上下三個方向。步態(tài)分析實驗報告全文共9頁，當前為第7頁。實驗需要20位健康的受試者，10位男生和10位女生，在一片空曠的環(huán)境進行數(shù)據(jù)樣本采集。將采集裝置佩戴于受試者的正后方，脊柱和腰部交叉部位。每位受試者采集三