详解动作捕捉在步态分析领域中的应用

2021-12-22 本文已影响0人您家豆子

步态分析能够对运动异常行为进行分析诊断，更多地应用于临床医疗方向。包括骨科、康复科等医院相关科室进行患者诊断，以及运动人体科学、康复医学、心理学等高校相关专业进行研究分析。

导致患者运动异常的疾病主要分为五类：畸形、肌肉无力、感觉丧失、疼痛，以及运动控制受损。而产生这些疾病的原因有很多，例如关节挛缩和先天马蹄内翻足均可导致畸形。而针对这些疾病的步态运动异常行为进行监测与量化记录，对确认患者具体情况以及治疗方式的制定具有重要的意义。

三维步态分析系统包含红外光学动作捕捉系统、表面肌电仪、测力台、可穿戴代谢监测系统等一系列先进设备，能够精确获取受试者一系列身体行为参数，在步态分析领域具有具有重要意义。

三维步态分析系统介绍

三维步态分析系统根据生物力学原理，通过检测并记录人体步行过程中特定时相躯干和关节运动、肌肉活动、对地面的作用力、关节力矩和做功，以及足底压力分布和步行中氧气消耗等数据，与正常参考值范围相比较，确定异常关键影像因素和代偿性变化，为临床诊断、临床决策制定以及治疗效果评价提供建议和参考。

测量患者步态的核心设备，通过监视和追踪目标上特定的反光标记点位置进行连续实时反馈，实现非侵入性、连续动态测量，从而完成步态分析中的运动捕捉任务，获取运动学数据。

NOKOV度量动作捕捉系统针对步态分析领域，根据相关项目经验有专门的反光标记点贴点模型，保证捕捉效果的最优化。

获取的运动学数据主要包含运动位置、速度、加速度、反应时间、距离、屈曲-伸展、内收-外展、旋转、步频，步长、步速和用户定义的角度等。

步态过程中有一时相叫支撑相，在这个阶段，肢体承载会在地面上的三个方向，也就是垂直、前后、内外三个方向，产生显著的力，当身体通过支撑侧下肢改变体位时，这些力的大小和方向都随之改变。

而通过三维测力台能够有效获得这个阶段中的地反力、力矩以及功率数据，对这些数据的分析有助于理解步态的机制，得到异常步态的精确力学参数。

表面肌电分析系统通过获取肌肉的电信号，确定肌肉功能的周期和相对强度，判断肌肉活动时程和运动强度的变化导致的步态异常，有利于对步态异常的原因做出更准确的判断。

除以上三种设备外，一些步态实验室还会配备足底压力分布、运动心肺测试仪，来为步态分析提供更为全面的信息。

结合动作捕捉系统、三维测力台等设备的三维步态分析系统，进行脑瘫患者步态分析、最大呼吸测量、脊柱侧弯测量等研究。

通过结合动作捕捉系统、三维测力台、表面肌电、足底压力分布等搭建的步态分析室，在儿童步态分析研究上具有相当多的临床经验。

除此之外，在天津医科大学、华南理工大学、北京大学等多所高校，也配备了以动作捕捉系统为主的三维步态分析系统，进行假肢设计开发、老年人步态等步态分析相关研究。