步態(tài)分析研究綜述

步態(tài)分析研究綜述

張峻霞，高昆，謝兵【特別策劃】步態(tài)分析研究綜述張峻霞，高昆，謝兵（天津科技大學(xué)天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津300222）梳理步態(tài)分析的發(fā)展脈絡(luò)，介紹步態(tài)分析中常用的實驗和仿真方法，了解步態(tài)分析的主要應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)測步態(tài)分析未來的發(fā)展方向。收集步態(tài)分析領(lǐng)域的國內(nèi)外主要文獻(xiàn)，梳理該領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容、研究方法、研究現(xiàn)狀和主要應(yīng)用領(lǐng)域。步態(tài)分析的主要研究內(nèi)容是對運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)及其變化規(guī)律的定量研究，多數(shù)學(xué)者將研究集中在臨床診斷與康復(fù)評價、穿戴式機器人及康復(fù)輔具研發(fā)與競技體育科學(xué)訓(xùn)練方式探索上；步態(tài)分析的研究方法包括實驗研究和仿真分析法；步態(tài)分析的研究成果可以為醫(yī)療領(lǐng)域中相關(guān)疾病的臨床診斷、療效評估和康復(fù)訓(xùn)練提供指導(dǎo)意見，為工程領(lǐng)域中雙足機器人、助行器及康復(fù)輔具、人工關(guān)節(jié)的設(shè)計開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。未來步態(tài)分析手段將更精準(zhǔn)、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼜V泛，步態(tài)分析的應(yīng)用也將擴展到更多領(lǐng)域，工業(yè)設(shè)計也將持續(xù)引入步態(tài)分析的方法與成果，為用戶帶來更好的產(chǎn)品和更舒適的體驗。步態(tài)分析；運動捕捉；表面肌電；足底壓力工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域始終將“人”作為設(shè)計的核心要素。“以人為本”“人性化關(guān)懷”的理念貫穿了工業(yè)設(shè)計發(fā)展的始終。設(shè)計一款優(yōu)秀的用戶體驗產(chǎn)品，需要充分了解人的生理結(jié)構(gòu)、運動方式、腦力體力工作負(fù)荷，以及人體的信息處理系統(tǒng)等多方面要素。步態(tài)分析作為研究人體運動過程變化的常用方法，為穿戴式設(shè)備、康復(fù)輔具等產(chǎn)品的設(shè)計提供了基本的理論支撐。文中擬梳理近年來國內(nèi)外步態(tài)分析領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，對步態(tài)分析領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納與總結(jié)，以期梳理出其發(fā)展脈絡(luò)，預(yù)測未來的發(fā)展方向。1步態(tài)與步態(tài)分析行走是日常生活中最主要的運動方式，是指通過雙側(cè)下肢的周期性交替動作實現(xiàn)機體移行的特征活動。一個完整步態(tài)過程起始于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出指令，肌肉系統(tǒng)通過牽拉骨骼使其圍繞關(guān)節(jié)運動。該過程需要人體各系統(tǒng)分工協(xié)作，是一項極其復(fù)雜的運動。步行不僅囊括了髖、膝、踝關(guān)節(jié)屈伸和內(nèi)外旋展，還涉及人體重心移位、骨盆傾斜旋轉(zhuǎn)等相關(guān)運動[1]。步態(tài)是人類步行的行為特征[2]。不同的人因體質(zhì)與運動習(xí)慣的不同，其行走方式和風(fēng)格存在顯著差異。人體運動協(xié)調(diào)系統(tǒng)、個人行為習(xí)慣和心理活動等因素都會影響步態(tài)變化的方式[3]。步態(tài)分析是對步態(tài)特征的科學(xué)描述。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，步態(tài)分析逐步從定性研究轉(zhuǎn)變以人類行走時身體各部分為對象的運動學(xué)、動力學(xué)定量研究，步態(tài)分析也逐漸發(fā)展為生物力學(xué)的一個重要分支。步態(tài)分析不僅是探究步態(tài)變異內(nèi)在誘因的必要手段，也是揭示行走過程中維持穩(wěn)定機理的重要方法。1.1步態(tài)分析的發(fā)展歷程人類對步態(tài)的研究具有很長的歷史。公元前400～300年，古希臘的亞里士多德就開始注意到步行運動[4]。16世紀(jì)初，歐洲人為了預(yù)測賽馬和賽狗的勝出機會，開始研究動物在跑步中的動作，采用連續(xù)取像的方式記錄動物周期性的肢體位置并進(jìn)行分析[5]。17世紀(jì)，人們開始將力學(xué)與解剖學(xué)相結(jié)合研究人和動物的運動協(xié)調(diào)規(guī)律[2]。19世紀(jì)照相機和攝像機的發(fā)明將人體步態(tài)分析的研究進(jìn)展帶入了新的時代。美國人邁布里奇用24架相機拍攝了馬奔跑動作的連續(xù)照片，并利用照片計算必要的參數(shù)，這是客觀進(jìn)行運動學(xué)步態(tài)分析的開始，奠定了影像測量和分析的方法基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，到了20世紀(jì)60年代，計算機的出現(xiàn)可以被視為步態(tài)分析研究的分水嶺，它開啟了步態(tài)分析研究的數(shù)字化時代[2]。借助計算機的強大計算能力，科研人員可以系統(tǒng)地對實驗采集到的步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析。在此基礎(chǔ)上，特別是三維空間運動分析系統(tǒng)的研發(fā)，使人們對步行的簡單描述轉(zhuǎn)變?yōu)閺纳锪W(xué)角度的定量分析。步態(tài)分析發(fā)展過程中頗具意義的重大技術(shù)發(fā)明和歷史事件，見表1。此外，表面肌電測量系統(tǒng)、足底壓力測量系統(tǒng)等高精度設(shè)備不斷出現(xiàn)，為相關(guān)研究的實驗設(shè)計提供了更大的可能。借助新的實驗設(shè)備，諸如肌電分析、足底壓力分布分析等被逐步應(yīng)用到步態(tài)分析中，使步態(tài)分析更加全面，極大地拓展了步態(tài)分析的應(yīng)用領(lǐng)域。表1步態(tài)分析的發(fā)展歷史1.2步態(tài)分析的主要內(nèi)容在人體行走過程中，從一側(cè)腳跟著地起到該腳跟再次著地為止，構(gòu)成了一個完整的運動周期，稱作步態(tài)周期。在一個步態(tài)周期中包含了一系列典型位姿的變化，每個典型位姿變化對應(yīng)著一個時段，稱作步態(tài)時相：支撐時相（StancePhase）和擺動時相（SwingPhase）。步行中足與地面始終有接觸的階段為支撐時相，否則為擺動時相，見圖1。描述步態(tài)的參數(shù)包括時–空參數(shù)、運動學(xué)參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)三大類。在步態(tài)時空參數(shù)中，除了步態(tài)周期和步態(tài)時相，還包括：步速、步頻、步長、步幅、步寬、步向角等。健康人通常行走的速度約為65～95m/min，步頻大約是95～125步/min。步長指的是行走時左右足跟（或趾尖）間的縱向距離，又稱單步長，見圖2中；步幅也稱為跨步長或復(fù)步長，是同側(cè)足跟2次著地間的距離，所以通常是步長的2倍。見圖2中；步寬是兩腳跟中心點或重力點之間的水平距離，見圖2中；行走中前進(jìn)的方向與足的長軸所形成的夾角稱為步向角，健康人約為6.75°，見圖2中。圖1步態(tài)時相劃分圖2步態(tài)的空間參數(shù)運動學(xué)參數(shù)是指人體解剖學(xué)上關(guān)鍵點的位移、速度和加速度，以及關(guān)節(jié)角度、角速度和角加速度，用以描述人體的空間運動情況。在步態(tài)分析中，將軀干、大小腿、足等近似為剛體，關(guān)節(jié)角度是指在某一解剖學(xué)平面（矢狀面、額狀面、水平面）內(nèi)的角度，通常針對髖、膝、踝3個關(guān)節(jié)角度進(jìn)行研究。膝關(guān)節(jié)是典型的鉸鏈結(jié)構(gòu)，只能在矢狀面內(nèi)進(jìn)行屈伸運動，而踝、髖關(guān)節(jié)可以在3個解剖學(xué)平面內(nèi)進(jìn)行屈/伸、內(nèi)收/外展以及內(nèi)旋/外旋運動，人體下肢自由度見表2。雖然步行以矢狀面內(nèi)的運動為主，但髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的其他運動在步態(tài)研究中也非常重要。表2人體下肢自由度Tab.2Humanlowerlimbfreedom動力學(xué)參數(shù)主要包括足–地接觸力、關(guān)節(jié)力矩、重心加速度等。正常人足–地接觸力在水平、前后方向較小且基本對稱，垂直方向分力（GRF）呈雙峰型，見圖3。關(guān)節(jié)力矩是指肌肉、韌帶和關(guān)節(jié)摩擦及結(jié)構(gòu)約束產(chǎn)生的所有內(nèi)力矩的凈值。利用逆向動力學(xué)分析法，根據(jù)地面反作用力和關(guān)節(jié)角度曲線，可以計算出凈關(guān)節(jié)力矩[7]。人在行走時，身體重心不僅在前進(jìn)方向，而且在垂直方向上也不斷改變著位置和速度，因此身體重心加速度也是一個重要的動力學(xué)參數(shù)。圖3典型的垂直GRF雙峰曲線2步態(tài)分析的實驗方法2.1實驗方法的發(fā)展在步態(tài)分析的初始階段，實驗多以觀察法和初級的影像解析法[8-11]為主。該方法成本低、應(yīng)用方便，但存在著一定缺點，當(dāng)受試者群體較大時效率極低，限制了研究的全面性；受設(shè)備、實驗人員等主觀因素影響較大，不利于實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。從最初通過繪圖等方式記錄人體變化到后來借助高速攝像機、三維運動捕捉系統(tǒng)等應(yīng)用的現(xiàn)代影像解析法，步態(tài)分析逐步向定量分析深入。華中科技大學(xué)付艷等[12]研究者便是借助Vicon三維步態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行了肢殘者運動姿態(tài)識別的研究。Chen等[13]在基于混合預(yù)測模型的骨關(guān)節(jié)炎步態(tài)采集與分析系統(tǒng)研究中使用RGB-D相機和開發(fā)的步態(tài)數(shù)據(jù)記錄軟件為骨關(guān)節(jié)炎患者構(gòu)建步態(tài)采集平臺，該步態(tài)分析系統(tǒng)可以定量預(yù)測步態(tài)異常、描述膝關(guān)節(jié)的功能，并定量記錄關(guān)節(jié)狀態(tài)，可以很好地補充來自醫(yī)學(xué)成像的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)信息。Fliker等[14]建立了視覺步態(tài)實驗室，提出了一種用戶友好的步態(tài)分析方法。還有研究者使用無線加速度計評估膝骨關(guān)節(jié)炎（KOA）患者的步態(tài)特征，使KOA患者的步態(tài)得以定性和定量的評估，具有很強的臨床意義。此外，還有嘗試應(yīng)用Kinect傳感器[15]與跑步機[16]等設(shè)備進(jìn)行步態(tài)分析的諸多研究。2.2常用實驗設(shè)備常見用于步態(tài)實驗的設(shè)備可分為三大類：運動捕捉系統(tǒng)、表面肌電系統(tǒng)和足底壓力測量系統(tǒng)。1）光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)。借助紅外高速攝像機捕捉人體在三維空間內(nèi)的運動軌跡變化，并通過空間坐標(biāo)的形式輸出數(shù)據(jù)。在光學(xué)動作捕捉行業(yè)，由英國OML（OxfordMetricsLimitid）公司設(shè)計開發(fā)的Vicon系列產(chǎn)品憑借起步早、精度高、拓展性強等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于步態(tài)分析中，見圖4。在該領(lǐng)域中，應(yīng)用較為廣泛的除英國Vicon外，還有MotionAnalysis、Optitrack、Nokov等品牌。這些產(chǎn)品在運動分析[17-18]、外骨骼機器人[19-20]、無人機產(chǎn)品研發(fā)[21]以及影視、游戲行業(yè)[22]中都發(fā)揮了重要作用。測力臺配合光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)使用，可以同步輸出人體運動時地面支反力、各關(guān)節(jié)力和力矩等動力學(xué)參數(shù)[23-25]。市場上較為知名的產(chǎn)品包括美國AMTI系列測力臺、瑞士Kisler測力臺等，都能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測量。圖4Vicon運動捕捉系統(tǒng)2）表面肌電測量系統(tǒng)。實時采集人體運動中肌電信號的變化，經(jīng)過放大、濾波及模/數(shù)轉(zhuǎn)換，形成量化的肌電波形及數(shù)據(jù)。因其安全、無創(chuàng)測量的優(yōu)點在康復(fù)醫(yī)學(xué)工程界及生物力學(xué)研究中備受關(guān)注[23]。Noraxon公司開發(fā)的Telemyo表面肌電測量系統(tǒng)是典型代表，該系統(tǒng)可與Vicon動捕系統(tǒng)同步測量，可以更詳細(xì)地描述步態(tài)特征[26]，見圖5。圖5Telemyo表面肌電測量系統(tǒng)3）足底壓力測量系統(tǒng)。足底壓力對分析人體運動中的平衡及穩(wěn)定性有著重要的意義。通過實驗測得足底不同分區(qū)的壓力、壓強等參數(shù)，可以得到不同群體在不同工況下的運動變化情況，還能反映出不同足部結(jié)構(gòu)。如：扁平足、高足弓等對人體運動的影響[27-28]。目前較常用的是鞋墊式壓力測量系統(tǒng)[29]，包括美國的F-scan系統(tǒng)、德國的NovelPedar–X（見圖6）系統(tǒng)和比利時的RSscan系統(tǒng)。圖6NovelPedar–X足底壓力測量系統(tǒng)在步態(tài)實驗中，常將運動捕捉系統(tǒng)、表面肌電和足底壓力測量系統(tǒng)相結(jié)合，同步采集數(shù)據(jù)。Vicon動作捕捉系統(tǒng)配套的Nexus軟件具有較高的可拓展性，通過預(yù)留的數(shù)據(jù)接口可以快速將測力臺、表面肌電、足底壓力測量設(shè)備等集成進(jìn)來，同步記錄數(shù)據(jù)，操作界面見圖7。圖7集成了測力臺和肌電系統(tǒng)的ViconNexus軟件界面3步態(tài)分析的仿真方法逆向動力學(xué)是指根據(jù)物體的運動表象利用力學(xué)規(guī)律，求解使物體發(fā)生變化的力表達(dá)[30]。在生物力學(xué)研究中，借助步態(tài)實驗數(shù)據(jù)，研究者根據(jù)研究需求，可通過逆向動力學(xué)方法求得肌肉力矩等參數(shù)[31]?；谀嫦騽恿W(xué)原理開發(fā)了多款適用于步態(tài)分析仿真的軟件。目前較為成熟的有AnyBody、Opensim、LifeMOD等。3.1AnyBody軟件仿真AnyBodyModelingSystem（以下簡稱AnyBody）是由AnyBodyTechnologyA/S公司開發(fā)的一款生物力學(xué)分析軟件[32-34]，可以同時計算模型中的骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)的受力、變形，以及肌肉活性、肌腱的彈性勢能、拮抗肌肉作用等生理參數(shù)，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)設(shè)計、航空航天、康復(fù)醫(yī)學(xué)工程、骨科產(chǎn)品設(shè)計、工作環(huán)境設(shè)計，以及體育運動與器械等研究領(lǐng)域，并取得了較好的效果[35-40]。AnyBody使用AnyScript腳本語言，包含了關(guān)于人體模型、環(huán)境模型以及人體–環(huán)境模型之間的約束組成等，用戶可以應(yīng)用該語言自定義人體模型的骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉以及約束、驅(qū)動等參數(shù)，也可以導(dǎo)入并調(diào)整機構(gòu)CAD模型，與人體模型進(jìn)行連接。AnyBody系統(tǒng)中的人體模型包括骨骼模型和肌肉模型2部分。由于實際的人體模型形狀復(fù)雜，雖然可以通過編寫腳本的方式自行建立，但較為耗時。通?？梢哉{(diào)用AnyBody軟件提供的人體模型庫——AMMR內(nèi)置的模型，按照一定比例縮放就能滿足不同產(chǎn)品的設(shè)計需求[41]。耿治中[42]應(yīng)用AnyBody研究足球運動員側(cè)切動作觸球時的下肢生物力學(xué)特性，為預(yù)防運動員腿部肌肉拉傷提供訓(xùn)練指導(dǎo)意見。吉林大學(xué)的Qian等[43]學(xué)者驗證了AnyBody全身肌肉骨骼模型在計算L4、L5腰椎負(fù)荷時的適用性，證明了AnyBody仿真作為一種非侵入式研究手段可以有效應(yīng)用于腰椎負(fù)荷研究中。還有學(xué)者將AnyBody仿真應(yīng)用于汽車座艙的人機工程學(xué)研究中，通過考慮骨骼肌肉的特征來指導(dǎo)汽車操縱部件的人機交互設(shè)計[44]，也有文獻(xiàn)用該軟件研究汽車駕駛員坐姿的力學(xué)特性，為汽車座椅支撐性設(shè)計提供參考[45]。天津大學(xué)的高飛等[46]基于AnyBody對自行車騎行運動展開了仿真與試驗分析，輔助自行車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計。此外，AnyBody仿真方法也被用于理療床等健身器材與康復(fù)輔具的研發(fā)中[41,47]，通過在軟件中進(jìn)行人機耦合仿真，測試設(shè)備的功能與人機工程設(shè)計合理性。在外骨骼機器人開發(fā)中，AnyBody仿真為驗證機器人控制策略的有效性提供了幫助[48]。AnyBody也常被用于動物的生物力學(xué)分析，例如新西蘭研究者Alienor[49]構(gòu)建了馬的前肢肌肉骨骼模型，研究馬的肌肉、肌腱和韌帶的負(fù)荷，預(yù)防因肌肉骨骼損傷問題導(dǎo)致的馬死亡。AnyBody還被廣泛應(yīng)用于體育運動學(xué)研究中。通過在軟件中對運動方式進(jìn)行仿真分析，可以獲得運動中各關(guān)鍵肌肉的參數(shù)，從而幫助教練員制定訓(xùn)練計劃，為專業(yè)運動員競技成績的提升提供幫助。3.2Opensim和LifeMOD軟件仿真在生物力學(xué)分析中另一代表性的仿真工具是Opensim。這是一款由斯坦福大學(xué)研發(fā)的基于C++和Java語言的用于建立肌肉模型、仿真與分析的開放性軟件。在Opensim中，各個關(guān)節(jié)將多塊骨骼連接起來，肌肉附著在骨骼上并通過肌肉產(chǎn)生的力來帶動關(guān)節(jié)運動，各式不同的模型被應(yīng)用于行走動力學(xué)分析、運動表現(xiàn)研究、手術(shù)過程仿真、醫(yī)療器械設(shè)計等諸多領(lǐng)域。Opensim在全球上百個生物力學(xué)實驗室中應(yīng)用，并擁有一個活躍的開發(fā)者社區(qū)來不斷完善其功能[30]。英國索爾福德大學(xué)的Trinler等[50]對比分析了在Opensim與AnyBody軟件中的2套腦卒中患者步態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)雖然2種建模方法不同，但得出的肌肉力量在波動模式上非常相似。新澤西州立大學(xué)的Mahadas等[51]利用Opensim研究了高爾夫運動中揮桿姿勢帶來的影響。LifeMOD是一款步態(tài)分析常用的仿真軟件。為了研究在不同工況環(huán)境下人體生物力學(xué)參數(shù)的變化，可以在LifeMOD中構(gòu)建人體模型進(jìn)行仿真。此外，由于LifeMOD是基于Adams系統(tǒng)開發(fā)的，還能將Adams中的機械模型快速導(dǎo)入，從而研究人體與機械系統(tǒng)的耦合情況[30]。南京體育學(xué)院的錢競光等[52]借助LifeMOD軟件探究了體操吊環(huán)慢用力動作肌肉發(fā)力特點和時序，為專項力量訓(xùn)練制定個性化方案提供理論參考和實踐指導(dǎo)，創(chuàng)建的首個“吊環(huán)十字壓上成水平十字支撐”慢用力動作組合動力學(xué)模型實現(xiàn)了該動作的動力學(xué)仿真，解釋了動作過程中肌肉的用力特點和基本規(guī)律。西北工業(yè)大學(xué)的薛紅軍等[53]基于LifeMOD人體肌肉骨骼模型，建立了含有肌肉力單元的飛行員人體動力學(xué)仿真模型，研究了飛機座艙人機界面的優(yōu)化設(shè)計。清華大學(xué)的馬妮等[54]基于LifeMOD，對比健康人與接受人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)群體步行時的生物力學(xué)特征變化情況，探究了人工假體對人體日?；顒拥挠绊懀⒔⒘艘惶揍槍θ斯はリP(guān)節(jié)置換人士的步態(tài)模型。還有部分學(xué)者的研究對比了3款不同的仿真軟件，為相關(guān)研究領(lǐng)域應(yīng)用仿真類生物力學(xué)分析軟件提供了一定的指導(dǎo)意見[55]。奧地利薩爾茨堡大學(xué)的Alexander等[56]研究了不同步行速度對使用AnyBody和OpenSim估計關(guān)節(jié)和肌肉力的影響；英國學(xué)者Trinler等[50]對比了不同軟件在腦卒中康復(fù)患者步態(tài)分析中的仿真結(jié)果，指出不同仿真軟件在肌肉激活模式上的一致性較強，但不同軟件環(huán)境中肌肉骨骼模型的建模方法差異導(dǎo)致輸出的肌肉力數(shù)值存在差異，研究者要考慮真實的應(yīng)用環(huán)境，有針對性地進(jìn)行選擇。4步態(tài)分析的應(yīng)用領(lǐng)域近年來，步態(tài)分析被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工學(xué)等領(lǐng)域的研究中，包括臨床醫(yī)療診斷和康復(fù)訓(xùn)練，機器人、人工關(guān)節(jié)的設(shè)計，助行器及康復(fù)輔具的研發(fā)。除此之外，在競技體育訓(xùn)練、生物特征識別和提取等研究中，步態(tài)分析也發(fā)揮了重要的作用。隨著步態(tài)分析的不斷發(fā)展，相關(guān)成果的應(yīng)用領(lǐng)域也在持續(xù)拓展中。4.1醫(yī)學(xué)診斷及康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用步態(tài)分析有助于臨床疾病的診斷。越來越多的醫(yī)療從業(yè)者注意到，許多疾病對人類機體造成的影響會通過步態(tài)的形式展現(xiàn)出來。在醫(yī)學(xué)上，步態(tài)分析主要應(yīng)用于臨床疾病的診斷、治療手段有效性驗證以及康復(fù)訓(xùn)練方面。近年來，與三維步態(tài)分析臨床療效的相關(guān)文獻(xiàn)大量增加，這些研究成果有助于不斷改進(jìn)數(shù)據(jù)的全面性與可用性，促進(jìn)了研究者對步態(tài)病理學(xué)和治療的理解，也證明了步態(tài)分析在改變治療決策、提高臨床醫(yī)生對病情的掌握程度和改善患者術(shù)后療效方面的功效。作為人體神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動的外在表現(xiàn)，人體的步態(tài)特征是臨床診斷中不可缺少的依據(jù)之一。通過采集患者的病理性步態(tài)數(shù)據(jù)，借助步態(tài)分析，提取該癥狀對應(yīng)的關(guān)鍵步態(tài)特征與不同病程下步態(tài)的差異性，從而在臨床診斷中，幫助醫(yī)生更好地判斷患者是否罹患相關(guān)疾病[57]。劉銘等[58]在阿爾茨海默?。ˋD）的早期診斷和鑒別研究中證實，步態(tài)分析可作為認(rèn)知衰退的一種重要臨床標(biāo)志物，步態(tài)分析對于AD的早期識別和診斷具有較好的臨床價值，通過更多的步態(tài)運動學(xué)分析法以拓展更多具有臨床意義的步態(tài)參數(shù)對今后臨床上快速識別和輔助診斷AD有著重要意義。白森等[59]通過對成人型脊柱畸形（ASD）患者運動功能進(jìn)行三維步態(tài)分析，得到ASD患者的步態(tài)特征，進(jìn)一步熟悉了ASD患者下肢功能的病理生理變化，為ASD患者的臨床診療和術(shù)后康復(fù)提供理論依據(jù)。O'sullivan等[60]研究了腦癱患者在不進(jìn)行手術(shù)干預(yù)的情況下屈膝及重復(fù)步態(tài)的方向發(fā)展。韓國學(xué)者Kim[61]在有關(guān)帕金森病（PID）亞型聚類的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的臨床診斷中，經(jīng)常通過醫(yī)師經(jīng)驗對帕金森病的多種亞型進(jìn)行判定分類。研究者對88名PID患者進(jìn)行18電子發(fā)射斷層掃描，并進(jìn)行了三維步態(tài)分析，使用步態(tài)時空參數(shù)中的步速、步幅和步寬等進(jìn)行聚類分析，將患者分為4個亞組，并對組間的步態(tài)運動學(xué)動力學(xué)參數(shù)差異進(jìn)行比較。同樣，也有學(xué)者在研究糖尿病多發(fā)性神經(jīng)病的過程中對患者的定量步態(tài)和姿勢進(jìn)行分析，得出步態(tài)與糖尿病性神經(jīng)病的臨床嚴(yán)重程度顯著相關(guān)的結(jié)論，并提出步態(tài)和姿勢分析是評估糖尿病性神經(jīng)病步態(tài)的有效工具的新思考[62]。Tsuchiya等[63]在對多系統(tǒng)萎縮癥（MSA）中膀胱功能障礙與運動障礙間的關(guān)系。還有關(guān)于利用三維臨床步態(tài)分析手段研究不完全脊椎損傷的案例[16]，這些研究成果均證明了步態(tài)分析研究成果可以為醫(yī)師提供臨床指導(dǎo)。步態(tài)分析對患者術(shù)后康復(fù)及療效評估的意義也非常重要。格林巴利綜合征（GBS）是一種周圍神經(jīng)炎癥疾病，屬于罕見病。步態(tài)異常是格林巴利綜合征患者的常見癥狀。研究人員通過步態(tài)實驗，使用Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)，對25名患兒的步態(tài)特征進(jìn)行綜合分析，證明了盡管GBS兒科患者的神經(jīng)系統(tǒng)、體態(tài)特征和術(shù)中治療方案是相似的，但他們在術(shù)后康復(fù)期間的步態(tài)模式卻不同。通過步態(tài)分析，研究人員將康復(fù)期內(nèi)的患兒劃分為3個不同組別，有助于康復(fù)醫(yī)師制定不同的康復(fù)計劃[64]。通過對比患者治療前后步態(tài)特征的變化，可以有效判斷療效及恢復(fù)情況。單莎瑞等[65]，通過三維步態(tài)分析，研究了低頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激對偏癱步態(tài)的影響，證明了低頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激能在一定程度上改善患者偏癱步態(tài)。潘浩等[66]通過比較運動學(xué)對線與機械力學(xué)對線2種不同方式指導(dǎo)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的步態(tài)特征，得出了運動學(xué)對線膝關(guān)節(jié)置換術(shù)能更有效地降低膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩的結(jié)論。Lamas等[67]通過步態(tài)實驗研究了腰椎管狹窄癥（LSS）患者手術(shù)前后步態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)LSS患者普遍存在骨盆傾斜和髖關(guān)節(jié)屈曲增加的癥狀，在接受腰椎減壓手術(shù)后，患者的骨盆傾斜度與髖關(guān)節(jié)屈曲值正?；?。研究人員指出，在靜態(tài)X光片上無法觀察到LSS患者運動中骨盆傾斜度的特殊性，這說明步態(tài)分析能夠很好地檢測步行等運動中身體的動態(tài)變化，其作為一種新的診療手段，有效彌補了X光、核磁共振等傳統(tǒng)的靜態(tài)影像學(xué)的不足。此外，也有研究者通過長期隨訪膝關(guān)節(jié)肌腱斷裂者術(shù)后步態(tài)表現(xiàn)，對治療方案與術(shù)后恢復(fù)進(jìn)行評估[68]。作為醫(yī)療過程的重要組成部分，醫(yī)患雙方都逐漸注意到康復(fù)訓(xùn)練的重要性。在物理康復(fù)領(lǐng)域，步態(tài)分析的主要功能包括[69]：康復(fù)前肢體功能水平的評估；臨床診療及個性化康復(fù)方案制定；人工假體的功能性測試；術(shù)后療效的判定。目前，步態(tài)分析被大量應(yīng)用于腦卒中、偏癱、骨性關(guān)節(jié)炎等疾病的康復(fù)治療中。張晶晶等[70]通過對腦卒中偏癱患者步態(tài)特征分析，指出造成偏癱患者常見的足下垂內(nèi)翻、劃圈步態(tài)的主要原因在于踝關(guān)節(jié)功能差和小腿肌肉力量弱。在步行康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)著重加強小腿肌肉力量的訓(xùn)練，緩解局部肌張力，提高踝關(guān)節(jié)功能。殷可意[71]在老年女性膝骨關(guān)節(jié)炎（KOA）患者步態(tài)適應(yīng)性運動特性研究中用步態(tài)分析的方式對KOA群體步態(tài)過程中的生物力學(xué)特征進(jìn)行了研究，得出了KOA患者獨有的下肢代償方式。同樣的，在探究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中微創(chuàng)前路入路術(shù)型對患者術(shù)后康復(fù)過程影響[72]時發(fā)現(xiàn)，接受治療后患者需要1年以上的時間來建立新的下肢運動補償機制，包括臀中肌和臀大肌的最大等長肌力下降，以及矢狀面和額狀面的相關(guān)運動學(xué)動力學(xué)參數(shù)的改變，為醫(yī)師制定康復(fù)計劃提供了一定的參考。Blasiis等[73]在一項評估Nabiximols藥物對多發(fā)性硬化癥患者影響的研究中也突破性地引入了步態(tài)分析手段，通過對患者痙攣狀態(tài)時行走和平衡能力的分析，得出該藥物對患者的短期與長期影響。隨著步態(tài)分析的不斷發(fā)展，一些學(xué)者將動物作為實驗對象，為人體臨床治療方案提供動物實驗參考。Hofman等[74]在小動物骨折愈合模型研究中建立了準(zhǔn)確的步態(tài)分析方法，用于評估下肢骨折對大鼠步態(tài)模式和肌肉萎縮的影響，其研究結(jié)果奠定了未來骨折愈合步態(tài)分析領(lǐng)域的基礎(chǔ)，提高了人們對下肢骨折后骨再生和康復(fù)的認(rèn)知。同樣以大鼠作為研究對象，Wu等[75]通過觀察大鼠跟腱愈合過程中步態(tài)特征的變化，以及轉(zhuǎn)化生長因子和創(chuàng)面愈合因子的表達(dá)情況，研究步態(tài)分析用于評估肌腱愈合的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，步態(tài)特性與跟腱愈合有關(guān)。這一研究成果對未來人類骨折后愈合的研究也具有參考價值。此外，還有學(xué)者使用步態(tài)分析系統(tǒng)證明了理想化的前交叉韌帶重建模型在小型豬中的生物力學(xué)穩(wěn)定性，確定了理想化的前交叉韌帶重建可用于幫助機體恢復(fù)正常的步態(tài)特征[76]。在與人體運動及康復(fù)相關(guān)的步態(tài)研究中，許多學(xué)者和研究人員建立了各式步態(tài)分析模型與步態(tài)評價系統(tǒng)。這些成果對步態(tài)分析的精細(xì)化、多元化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展起到了一定的推動作用。顧琳燕[77]運用步態(tài)分析的手段，分析比對普通人與運動功能障礙者的典型步態(tài)參數(shù)，提出了基于步態(tài)分析的同步下肢運動康復(fù)治療與康復(fù)評價系統(tǒng)。隨著腦癱步態(tài)訓(xùn)練中生物反饋研究的興起，F(xiàn)lux等[78]在與腦癱患兒群體相關(guān)的研究中，通過對步態(tài)運動學(xué)進(jìn)行實時測量，對比了用于腦癱兒童步態(tài)分析的人體模型與傳統(tǒng)步態(tài)模型之間的差異。此外，還有一些學(xué)者使用步態(tài)分析的手段驗證了現(xiàn)有研究模型和系統(tǒng)的有效性與可重復(fù)性[79-80]。4.2工程學(xué)與體育訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，步態(tài)分析研究與機器人學(xué)結(jié)合得越來越緊密，有關(guān)外骨骼下肢康復(fù)機器人的研究逐漸增加。雙側(cè)下肢的對稱性與人機耦合性研究是當(dāng)下的熱點問題。有研究發(fā)現(xiàn)，在單任務(wù)行走時，患有腦部小血管疾病的老年人步幅更短、步速更快、步態(tài)不對稱和相位協(xié)調(diào)指數(shù)更高[81]。復(fù)旦大學(xué)陳一等[82]也在腦卒中患者步態(tài)周期各時相中下肢肌肉的表面肌電特點研究中指出，腦卒中患者雙下肢相關(guān)肌肉肌電活動發(fā)生了明顯改變，失去規(guī)律性。腦卒中患者下肢在擺動相階段，腓腸肌的用力程度大于脛骨前肌，這種情況與健側(cè)下肢相反。對這類導(dǎo)致雙側(cè)下肢運動不對稱的疾病，在外骨骼下肢康復(fù)機器人的設(shè)計上也要做出改變。例如北京航空航天大學(xué)王?；⒌萚83]，針對非對稱步態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行了帶膝關(guān)節(jié)非對稱被動行走器的步態(tài)動力學(xué)建模與分析，進(jìn)一步完善了雙足機器人的研究工作，還可以為臨床病理性非對稱步態(tài)治療、外骨骼助力設(shè)備研制提供理論指導(dǎo)。在工程學(xué)領(lǐng)域，步態(tài)分析及人體行走穩(wěn)定性的相關(guān)研究同樣被廣大科研人員所關(guān)注。在外骨骼機器人開發(fā)、康復(fù)輔具設(shè)計和人工關(guān)節(jié)研制中，均應(yīng)用了步態(tài)分析的相關(guān)研究成果。外骨骼機器人作為一種可穿戴設(shè)備，對人機耦合性能有著極高的要求。這就需要機器人能夠準(zhǔn)確識別并跟隨穿戴者完成一系列復(fù)雜動作。在外骨骼機器人的研發(fā)中，借助步態(tài)實驗，開發(fā)者獲得大量不同復(fù)雜環(huán)境條件下的人體步態(tài)數(shù)據(jù)，并以此作為機器人運動控制策略的制定依據(jù)。高亮[84]通過分析人體下肢的運動機理和步態(tài)規(guī)律，測得人體關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)后推導(dǎo)用于處理離散關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)的3次樣條插值函數(shù)，為下肢康復(fù)機器人設(shè)計開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝崢等[85]基于實時步態(tài)分析，開發(fā)出行走輔助外骨骼機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助足底壓力傳感器實時對使用者的步態(tài)進(jìn)行分析，通過步態(tài)時相的劃分，針對各步態(tài)時相提出不同的機器人控制策略。在康復(fù)輔具及人工關(guān)節(jié)的研發(fā)中，常將步態(tài)分析應(yīng)用于產(chǎn)品有效性的驗證上。上海理工大學(xué)徐兆紅等[86]通過分析踝關(guān)節(jié)的運動模式，設(shè)計開發(fā)了可左右擺動的踝關(guān)節(jié)康復(fù)器具。跟腱損傷通常使用一種穩(wěn)定靴來輔助康復(fù)治療，Sommer等[87]在對現(xiàn)有穩(wěn)定靴進(jìn)行穿戴行走步態(tài)實驗后，對產(chǎn)品效果進(jìn)行了評價，并指出未來的研究需要確定最相關(guān)的變量來表示跟腱再次斷裂的風(fēng)險，以便得出哪種靴子最適合在臨床實踐中使用。上海交通大學(xué)周海[88]將運動捕捉系統(tǒng)應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)假體的設(shè)計與臨床置換術(shù)研究中，為相關(guān)假體的設(shè)計研發(fā)提供參考，并開發(fā)了以中國人為樣本的運動學(xué)數(shù)據(jù)庫。Lullini等[89]將研究重點放在不同的假體設(shè)計會給患者帶來怎樣的功能影響上，通過對接受2～3組件和2種踝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的隨訪，研究人員通過患者的步態(tài)分析比較了這2種用于保持踝關(guān)節(jié)韌帶等距的踝關(guān)節(jié)假體的臨床功能結(jié)果。此外，也有學(xué)者借助步態(tài)分析的方法，比較評價了傳統(tǒng)全膝關(guān)節(jié)置換與模塊化股骨遠(yuǎn)端巨型假體2種不同治療方案的效果[90]。步態(tài)分析也被用于研究行走穩(wěn)定性與預(yù)防滑跌的相關(guān)實驗中。Dommershuijsen等[91]為居住在西歐的老年人群體制定了步態(tài)速度的參考值，并進(jìn)一步探討了年齡、性別、身高與步速的關(guān)系。還有研究人員通過分析老年人步態(tài)過程中足底壓力分布的變化，研究了影響老年人行走穩(wěn)定性的因素，可為預(yù)防老年人滑跌研究提供參考[92]。在體育訓(xùn)練方面，步態(tài)分析有效地幫助教練員制定科學(xué)的訓(xùn)練計劃，根據(jù)不同運動員的項目與技術(shù)特點，有針對性地幫助他們提高運動成績，避免傷病。陳平波[93]利用步態(tài)分析方法研究大負(fù)荷訓(xùn)練對武術(shù)運動員的步態(tài)時空參數(shù)、關(guān)節(jié)角度變化等的影響，找出步態(tài)指標(biāo)變化規(guī)律及特點，從而幫助教練員掌握運動員的身體機能狀態(tài)，合理安排訓(xùn)練計劃。廣州體育學(xué)院高涵[94]在籃球運動員受傷后的科學(xué)訓(xùn)練研究中歸納出一套有助于矯正病理性步態(tài)的方法，有效減少了運動員受傷部位在運動中承受的壓力。通過分析籃球運動員的步態(tài)特征，歸納總結(jié)出一套正確的步態(tài)訓(xùn)練方法，使受損傷運動員的步態(tài)由病理性步態(tài)變?yōu)榻】档牟綉B(tài)，減少受損傷部位的壓力。5結(jié)語科技的進(jìn)步將為步態(tài)分析提供更精準(zhǔn)、更先進(jìn)的設(shè)備，使步態(tài)分析的角度越來越全面。步態(tài)分析應(yīng)用領(lǐng)域也將從醫(yī)學(xué)、體育等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展到更多領(lǐng)域，例如目前已經(jīng)開始在人體生物特征識別、模式識別、軍工裝備領(lǐng)域的研究中應(yīng)用了步態(tài)分析的方法。未來，步態(tài)分析的研究還將逐步應(yīng)用于水下[95-96]、航天這類特殊重力環(huán)境下的探索中。作為步態(tài)分析的主要研究對象，人的運動方式及感受始終是研究者關(guān)注的重點，在這一點上同工業(yè)設(shè)計不謀而合。未來的工業(yè)設(shè)計與人機工程研究將持續(xù)引入步態(tài)分析的方法與成果，共同為用戶帶來更好的產(chǎn)品和更舒適的體驗。[1]古恩鵬,劉愛峰,金鴻賓,等.步態(tài)分析在臨床骨科與康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國中西醫(yī)結(jié)合外科雜志,2011,17(3):335-337.GUEn-peng,LIUAi-feng,JINHong-bin,etal.ApplicationofGaitAnalysisinClinicalOrthopedicsandRehabilitation[J].ChineseJournalofSurgeryofIntegratedTraditionalandWesternMedicine,2011,17(3):335-337.[2]勵建安,孟殿懷.步態(tài)分析的臨床應(yīng)用[J].中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志,2006,28(7):500-503.LIJia-nan,MENGDian-huai.ClinicalApplicationofPhysicalGaitAnalysis[J].ChineseJournalofPhysicalMedicineandRehabilitation,2006,28(7):500-503.[3]趙凌燕.人體步態(tài)模型實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.ZHAOLing-yan.TheExperimentStudyonHumanGaitModel[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2008.[4]亞里士多德.物理學(xué)[M].張竹明,譯.北京:商務(wù)印書館,1982.ARISTOTéLēS.Physics[M].ZHANGZu-ming,Translated.Beijing:TheCommercialPress,1982.[5]張靜茹.人類行走步態(tài)模型及特征提取方法研究[D].上海:上海大學(xué),2007.ZHANGJing-ru.ResearchonHumanWalkingGaitModelandFeatureExtractionMethod[D].Shanghai:ShanghaiUniversity,2017.[6]錢競光,宋雅偉,葉強,等.步行動作的生物力學(xué)原理及其步態(tài)分析[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,5(4):1-7.QINGJing-guang,SONGYa-wei,YEQiang,etal.TheBiomechanicsPrincipleofWalkingandAnalysisonGaits[J].JournalofNanjingInstituteofPhysicalEducation(NaturalScience),2006,5(4):1-7.[7]李凱.正常青年人行走步態(tài)的下肢關(guān)節(jié)動力學(xué)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.LIKai.KineticAnalysisoftheLowerLimbsintheWalkingofNormalYoungAdults[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,2009.[8]湯榮光,戴尅戎.平地行走中膝關(guān)節(jié)力的二維分析[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,1983,2(3):161-169.TANGRong-guang,DAIKe-rong.two-DimensionalAnalysisofForcesTransmittedbyKneeJointinLevelWalking[J].ChineseJournalofBiomedicalEngineering,1983,2(3):161-169.[9]BORDEAUXEFJ.InterferenceinVariousGaitsandsomeSuggestedRemedies[J].TheVeterinaryJournal,1916,72:1-7.[10]戴克戎,湯榮光.平地常速行走時的步態(tài)觀察[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,1982(1):15-21.DAIKe-rong,TANGRong-guang.StudyofGaitPatternsofNormalAdultsDuringLevelWalking[J].ChineseJournalofBiomedicalEngineering,1982(1):15-21.[11]樓鴻棣,鄒慧君,呂恬生.人體水平步行步態(tài)的實驗和分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1983,17(1):103-116.LOUHong-di,ZOUHui-jun,LüTian-sheng.AuExperimentofHumanGaitinLevelWalkingandItsAnalysis[J].JournalofShanghaiJiaoTongUniversity,1983,17(1):103-116.[12]付艷,余進(jìn)軒,劉世平,等.Kinect在肢殘者運動姿態(tài)識別中的應(yīng)用及有效性研究[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2017,32(2):202-206.FUYan,YUJin-xuan,LIUShi-ping,etal.ApplicationandEffectivenessofKinectinMotionPostureRecognitionofLimbDisabled[J].ChineseJournalofRehabilitationMedicine,2017,32(2):202-206.[13]CHENFang,CUIXi-wen,ZHAOZhe,etal.GaitAcquisitionandAnalysisSystemforOsteoarthritisBasedonHybridPredictionModel[J].ComputerizedMedicalImagingandGraphics,2020,85:101782.[14]FIKERR,KIMLH,MOLINALA,etal.VisualGaitLab:AUser-FriendlyApproachtoGaitAnalysis[J].JournalofNeuroscienceMethods,2020,341:108775.[15]HAZRAS,PRATAPAA,TRIPATHYD,etal.NovelDataFusionStrategyforHumanGaitAnalysisUsingMultipleKinectSensors[J].BiomedicalSignalProcessingandControl,2021,67(1):102512.[16]PINTORF,BIRMINGHAMTB,LEITCHKM,etal.R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