采用三維運(yùn)動(dòng)分析的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)裝置*

馬　駿，張敏敏，龔晨曉，葉斌浩，黃　敏，胡良岡（.溫州醫(yī)科大學(xué)　信息與工程學(xué)院，浙江　溫州　35035；.溫州醫(yī)科大學(xué)　基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，浙江　溫州　35035）

采用三維運(yùn)動(dòng)分析的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)裝置*

馬駿1，張敏敏1，龔晨曉1，葉斌浩1，黃敏1，胡良岡2
（1.溫州醫(yī)科大學(xué)信息與工程學(xué)院，浙江溫州325035；2.溫州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，浙江溫州325035）

為量化分析和評(píng)定肢體傷殘患者康復(fù)訓(xùn)練后的康復(fù)程度，研究開發(fā)出一種基于三維MEMS加速度傳感器的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練分析系統(tǒng)。通過單片機(jī)控制并由三維MEMS傳感器采集患者行走時(shí)的加速度信號(hào)，將信號(hào)通過RF無線傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)程序處理分析患者的步態(tài)信號(hào)，從而量化分析患者的康復(fù)程度，并儲(chǔ)存患者的步態(tài)運(yùn)動(dòng)信息以供醫(yī)生定期分析，作為今后康復(fù)治療的依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)證明了使用加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)影像學(xué)檢測(cè)步態(tài)狀況的可行性，相比于傳統(tǒng)的基于影像學(xué)的步態(tài)分析系統(tǒng)，采用MEMS加速度傳感器的步態(tài)分析系統(tǒng)大大減小了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜性，使患者使用更加方便，便于推廣應(yīng)用。

三維步態(tài)分析；微電機(jī)系統(tǒng)；加速度傳感器

0　引言

步態(tài)分析是生物力學(xué)中的一個(gè)特殊的分支，是對(duì)人體行走時(shí)的肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)觀察和動(dòng)力學(xué)分析，提供一系列時(shí)間、幾何及力學(xué)參數(shù)和曲線。因?yàn)槠淠軌蚩陀^定量地評(píng)定患者的步態(tài)狀況，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展這一技術(shù)在國內(nèi)外的矯形外科及康復(fù)醫(yī)療的應(yīng)用變得越來越普遍［1-3］。但是傳統(tǒng)的步態(tài)分析方法由于基于影像學(xué)分析，設(shè)備成本高、體積大，有一定的局限性。近年來隨著微電機(jī)系統(tǒng)的成熟，使用基于加速度傳感器的步態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行步態(tài)分析成為了可能。本文即是通過使用微電機(jī)加速度傳感器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)步態(tài)信號(hào)采集裝置，并將裝置采集到的信號(hào)通過使用C#便攜的上位機(jī)程序?qū)邮盏降男盘?hào)進(jìn)行分析、儲(chǔ)存和顯示，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于加速度傳感器的三維步態(tài)分析系統(tǒng)。

1　整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要分為信號(hào)采集部分與信號(hào)處理部分，患者測(cè)試時(shí)由綁在患者腿上的加速度傳感器采集到加速度信號(hào)后將數(shù)據(jù)通過RF無線模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)分析與存儲(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于MEMS加速度傳感器的步態(tài)分析系統(tǒng)的原理圖

1.1信號(hào)采集部分

信號(hào)采集部分主要分為傳感器、信號(hào)處理部分和無線傳輸部分。在加速度傳感器上，選擇了ADXL345芯片，這一款芯片具有體積小、功耗超低、量程可變及分辨率高等特點(diǎn)，非常有利于減小采集器的體積，并且低功耗可以延長信號(hào)采集裝置的使用時(shí)間。

信號(hào)處理部分主要為濾波器與單片機(jī)，因?yàn)樵谛盘?hào)采集時(shí)會(huì)受到噪聲干擾，而正常人的步態(tài)信號(hào)的頻率一般在2Hz左右，所以需要在傳感器采樣后將信號(hào)在MCU（單片機(jī)）上經(jīng)過低通數(shù)字濾波器處理，之后由MCU來控制RF無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

最后通過RF無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收來將采集到的步態(tài)信號(hào)傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理［4-7］。

1.2信號(hào)處理部分

系統(tǒng)的信號(hào)處理程序采用C#與MATLAB的混合編程來編寫，使用C#能夠使程序調(diào)理更為清晰，具有良好的可操作性，同時(shí)引用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算更為準(zhǔn)確有效。將采集到的信號(hào)存入數(shù)據(jù)庫中并且通過MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析從而得到患者的步態(tài)參數(shù)，并且將這些參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中供醫(yī)生分析。

2　信號(hào)分析

信號(hào)分析即是對(duì)之前采集到的步態(tài)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，從而得到進(jìn)行步態(tài)分析所需的步長、步頻和步速，以便于醫(yī)生對(duì)患者的步態(tài)健康狀況進(jìn)行分析。

2.1數(shù)字濾波器的選擇

健康人通常步頻是95～125steps/min，也就是2Hz左右，在進(jìn)行信號(hào)采樣時(shí)采樣頻率為5Hz，而在信號(hào)采集時(shí)有較多的噪聲信號(hào)，主要噪聲為50Hz工頻噪聲。所以，在對(duì)步態(tài)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，目前常見的濾波器主要有巴特沃斯濾波器、切比雪夫I型濾波器、切比雪夫II型濾波器、橢圓濾波器等。因?yàn)樾盘?hào)頻率與噪聲頻率差別較大，所以盡量做到追求過渡帶的衰減速度，并使通帶平坦，從而保證信號(hào)不會(huì)因?yàn)闉V波而失真。因此最終選用巴特沃茲濾波器設(shè)計(jì)的低通濾波器，濾波的效果如圖2所示［8-12］。

圖2　使用低通巴特沃茲濾波器前后的波形對(duì)比

2.2步態(tài)參數(shù)的計(jì)算方式

行走時(shí)一側(cè)足跟著地至該足跟再次著地稱為一個(gè)步態(tài)周期，在一個(gè)步態(tài)周期中，每側(cè)肢體要經(jīng)過踩地負(fù)重和離地?cái)[動(dòng)兩個(gè)階段，分別稱為步態(tài)周期的站立相和擺動(dòng)相。根據(jù)是單足著地還是雙足著地，將站立相分為單肢負(fù)重期和雙肢負(fù)重期。而步長、步頻、步速是步態(tài)的3大要素。

步長即行走時(shí)一側(cè)足跟著地到緊接著的對(duì)側(cè)足跟著地所行進(jìn)的距離，又稱單步長，單位通常為cm。健康人平地行走時(shí)，一般步長約為50～80cm。個(gè)體步長的差異主要與腿長有關(guān)，腿長，步長也大。

步頻即行走中每分鐘邁出的步數(shù)，又稱步調(diào)，通常用steps/min表示。健康人通常步頻是95～125steps/min，東方男性的步頻平均為112.2±8.9steps/min，女性平均為123.4±8.0steps/min。雙人并肩行走時(shí)，一般是腿短者步頻大于腿長者。而步速即人行進(jìn)的速度。

需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析從而得出具體的步態(tài)參數(shù)。從圖3所示的時(shí)域波形可看出，步態(tài)信號(hào)可以看作是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)變信號(hào)，那么就可以求得步態(tài)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。其計(jì)算方式如式（1）所示：

式（1）為一個(gè)信號(hào)x（n），n=1，2，…，N的無偏自相關(guān)函數(shù)定義，其中m為任意數(shù)自相關(guān)函數(shù)，RXX提供了信號(hào)與其平移m時(shí)間后所得信號(hào)之間關(guān)聯(lián)程度的測(cè)度。周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號(hào)，但不保留原信號(hào)的相位信息。并且，周期信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)在等同于信號(hào)周期的延遲時(shí)取值最大［13］。因此，自相關(guān)函數(shù)曲線可反映信號(hào)自身的周期性和噪聲水平。

由于圖3中的X軸與Z軸的加速度信號(hào)的時(shí)變特性較為明顯，所以通過式（1）求得其自相關(guān)函數(shù)如圖4所示。

由圖4可以看出，這兩個(gè)軸其加速度的自相關(guān)函數(shù)具有明顯的周期性，可以根據(jù)每個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)n和采樣頻率f來計(jì)算出測(cè)試者的步頻，其計(jì)算方式如式（2）所示。

圖3　三軸步態(tài)加速度的時(shí)域圖形

圖4　X軸與Z軸加速度信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)

同理可以對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分從而求得測(cè)試者的運(yùn)動(dòng)距離s和運(yùn)動(dòng)速度v，通過這些計(jì)算出測(cè)試者的步長和步幅［13-15］。

3　步態(tài)狀況評(píng)估方式

在得到患者的步態(tài)參數(shù)之后需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行步態(tài)分析。因?yàn)椴煌闹w疾病所表現(xiàn)的步態(tài)信號(hào)具有差異性，所以對(duì)比正常人與各種病理狀態(tài)下的人在步態(tài)周期中有關(guān)時(shí)間、幾何、力學(xué)等正常參數(shù)值和曲線可以統(tǒng)計(jì)得出不同情況下的步態(tài)參數(shù)范圍，通過與步態(tài)信號(hào)獲取裝置所獲的信號(hào)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得到測(cè)試者的步態(tài)狀況，具體的病理狀態(tài)下的參數(shù)如表1所示。

表1　健康人群、脊柱及下肢各關(guān)節(jié)疾病患者的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)改變（x±SD）

之前所得到的步態(tài)參數(shù)通過查表可以得到，該測(cè)試為康復(fù)醫(yī)生提供了患者步態(tài)健康狀況的定量分析結(jié)果，為其診斷提供參考［3］。

4　結(jié)果與分析

首先通過步態(tài)信號(hào)采集模塊采集到原始步態(tài)信號(hào)，通過無線發(fā)送至PC接收模塊，再通過串口傳送至PC內(nèi)信號(hào)接收模塊，接收到如圖5所示信號(hào)。

圖5　信號(hào)采集界面顯示的步態(tài)信號(hào)的樣例

程序?qū)⑿盘?hào)傳入數(shù)據(jù)庫，之后通過信號(hào)處理模塊進(jìn)行濾波處理，處理結(jié)果如圖6所示，然后進(jìn)行信號(hào)處理得到該組信號(hào)的步頻、步長與步幅，最后與基準(zhǔn)值對(duì)比，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖6　X軸信號(hào)濾波前后對(duì)比

圖7　步態(tài)分析結(jié)果演示

5　結(jié)論

本系統(tǒng)完成對(duì)步態(tài)信號(hào)的采集、接收、處理及管理的基本功能，本系統(tǒng)還有如下的特點(diǎn)：

（1）便攜性：采用微電機(jī)系統(tǒng)加速度傳感器使得采集裝置體積小，便于捆綁至測(cè)試人員身上進(jìn)行測(cè)試；同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的基于攝像系統(tǒng)的步態(tài)分析系統(tǒng)，本系統(tǒng)受環(huán)境的局限性也較小，只需安裝客戶端及可以登錄系統(tǒng)并進(jìn)行操作。

（2）操作性：系統(tǒng)的操作簡單明了，用戶的上手難度較低，不必進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

（3）可擴(kuò)展性：步態(tài)分析系統(tǒng)采用開源系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要增加或刪減系統(tǒng)的功能，大大增加了系統(tǒng)的靈活性。

雖然所研發(fā)的信號(hào)接收顯示系統(tǒng)完成了基本要求，但是系統(tǒng)中還有許多不足之處。例如：在開發(fā)過程中一直沒能做到MATLAB與C#的實(shí)時(shí)鏈接，信號(hào)需要通過MATLAB的后臺(tái)程序進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，導(dǎo)致本系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理功能。這也將是今后系統(tǒng)完善的主要目標(biāo)。

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Gait rehabilitation devices using three-dimensional motion analysis

Ma Jun1，Zhang Minmin1，Gong Chenxiao1，Ye Binhao1，Huang Min1，Hu Lianggang2
（1.School of Information and Engineering，Wenzhou Medical University，Wenzhou 325035，China；2.School of Basic Medical Scienses，Wenzhou Medical University，Wenzhou 325035，China）

For quantitative analysis and evaluation of patients with limb disability after rehabilitation training，we developed a gait rehabilitation training and evaluation system based on three-dimensional MEMS acceleration sensors.Single-chip microcomputer controls the three-dimensional MEMS sensor to acquire patient′s walking acceleration signal，sending it to the computer wirelessly via RF transmission.The computer is programed to analyze patient′s gait data for quantitative estimation of the patient′s recovery.The patient′s gait movement information is stored for doctors to proceed periodical analysis，as the basis of rehabilitation therapy in the future.Experiments prove that replacing traditional imaging with acceleration sensors to detect the gait is feasible.Compared to traditional gait analysis system based on imaging，the gait analysis system combined with MEMS acceleration sensors remarkably reduces the size and complexity of the system，provides convenience for patients，and is easy for application.

three dimensional gait analysis；MEMS；accelerometer

R218.4

A

1674-7720（2015）12-0088-03

2015-01-27）

馬駿（1991-），男，本科生，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

2013 年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃（ 2013R413025 ）

胡良岡（1960-），通信作者，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程和智能識(shí)別。E-mail：firegang@163.com。