人體下肢運動攝影及其運動學(xué)數(shù)據(jù)的確定

張緒樹，郭 媛，安美文，高偉江

（太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所，太原030024）

人體下肢的主要作用是支撐身體，承擔(dān)載荷，協(xié)調(diào)運動［1－2］。長期的日常運動可能會導(dǎo)致人體下肢各組織和關(guān)節(jié)產(chǎn)生病變，從而嚴(yán)重影響人體下肢的運動功能。因而有必要對人體下肢日常運動進(jìn)行運動攝影和解析，得到正常狀態(tài)下的運動學(xué)數(shù)據(jù)。在臨床運動相關(guān)疾病的診斷實際中，可以通過觀測下肢運動或行走特點，診斷出潛在的疾病并進(jìn)行及時的治療。

國內(nèi)外有許多學(xué)者對日?；顒訒r下肢的運動情況進(jìn)行了分析和研究［3－7］。鄭秀瑗等人詳細(xì)介紹了運動生物力學(xué)的運動學(xué)數(shù)據(jù)的采集和處理方法，也給出了關(guān)節(jié)的運動幅度和范圍，對研究人體運動具有非常重要的意義［3］。Farahmand等人測量和分析了正常和膝關(guān)節(jié)以上部位截肢的人在行走時的運動學(xué)數(shù)據(jù)，同時對測量結(jié)果進(jìn)行了對比［4］。唐剛等使用運動捕捉系統(tǒng)和三維測力臺，測量了上樓梯過程中下肢關(guān)節(jié)角的變化及其活動范圍［5］。郭媛等對人體下蹲運動進(jìn)行了攝影解析，同時測量了不同下蹲角度時足的地面反作用力［6］。劉卉對棒球投擲時運動員的肩關(guān)節(jié)角度進(jìn)行了計算［8］。

大多數(shù)學(xué)者只針對某一種運動進(jìn)行較為深入的研究，很少針對多種運動進(jìn)行對比研究。本文對下肢在平地行走、下蹲和起立以及上樓梯等時的運動進(jìn)行了拍攝和解析，通過圖像處理和分析計算獲得各運動過程中髖、膝、踝關(guān)節(jié)的水平速度及各關(guān)節(jié)角度變化等運動學(xué)數(shù)據(jù)，同時繪制了相應(yīng)運動過程中的下肢運動曲棍圖。

1 實驗材料和方法

1．1 實驗準(zhǔn)備

參與本實驗的志愿者都是身體健康的在校學(xué)生。他（她）們的下肢無疾病、無畸形或傷殘，同時也無影響運動能力的全身性疾病。為了能夠在人體下肢運動的過程中拍攝并獲得運動學(xué)數(shù)據(jù)，在了解人體下肢解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在右側(cè)腿的髖、膝和踝關(guān)節(jié)處以及腳尖、跖骨和腳跟外側(cè)處貼上標(biāo)志（其中膝關(guān)節(jié)的標(biāo)志點位于膝關(guān)節(jié)外側(cè)中心）。對實驗對象的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量和記錄，其中包括年齡、身高、體重、大腿長度、小腿長度以及足長等數(shù)據(jù)，并在進(jìn)行下蹲和行走的實驗場地里設(shè)定標(biāo)尺。在上樓梯的實驗中，測量并記錄了樓梯臺階的高度和寬度。調(diào)整拍攝裝置，使其能夠拍攝到運動范圍內(nèi)的實驗對象，并使其處在合適的空間位置。

1．2 運動拍攝

將選取的拍攝對象分為男性和女性兩組，每組各5人。在運動拍攝前，給實驗對象講明要領(lǐng)，讓每人分別練習(xí)5次，掌握要領(lǐng)并能熟練運動。調(diào)節(jié)三腳架的空間位置以及數(shù)碼相機的拍攝范圍，并使相機可以拍攝多個周期的運動，同時確保相機正對人體的右側(cè)腿（貼標(biāo)記的腿）進(jìn)行拍攝。在實驗對象進(jìn)行平地行走、下蹲和起立以及上樓梯等運動時進(jìn)行拍攝。拍攝結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 平地行走時拍攝的圖片

圖2 上樓梯時拍攝的圖片

圖3 下蹲和起立時拍攝的圖片

1．3 圖片解析

使用幀提取軟件Avi2Jpeg（共享版）來提取圖片序列。將拍攝好的視頻在Avi2Jpeg中打開，導(dǎo)出為bmp格式的圖片（20幀／s）。然后導(dǎo)入圖像數(shù)字化軟件GetData Graph Digitizer（共享版）中，設(shè)立固定的圖片坐標(biāo)系（左下角為坐標(biāo)原點，水平X軸，豎直Y軸），從第一幀開始分別依次讀取、記錄髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足跟、跖骨、足尖處的坐標(biāo)（下蹲和起立運動過程中，足部一直沒有離開地面，故在這兩個狀態(tài)時，未給出足跟、跖骨、足尖處的坐標(biāo)），并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中進(jìn)行計算和分析。數(shù)據(jù)處理的界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理界面

2 結(jié)果

基于上述實驗要求和步驟，對實驗對象下肢平地行走、下蹲和起立以及上樓梯等運動進(jìn)行了拍攝和解析，通過圖像處理和分析計算獲得各運動過程中髖、膝、踝關(guān)節(jié)的水平速度及各關(guān)節(jié)角度變化等運動學(xué)數(shù)據(jù)，同時繪制了相應(yīng)運動過程中的下肢運動曲棍圖。

2．1 不同狀態(tài)時下肢各標(biāo)志點的平均運動速度

平地行走時，關(guān)節(jié)在豎直方向位移變化不大。上樓梯時，只有在跨上臺階時有明顯豎直方向的位移，而在踏上臺階后到下一次跨臺階前，在豎直方向關(guān)節(jié)位移變化也不大。故本文沒有計算這兩個狀態(tài)下的豎直速度，只計算關(guān)節(jié)水平速度。同理，在下蹲和起立狀態(tài)中，只考慮了髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的水平和豎直速度，而未計算踝關(guān)節(jié)的速度。通過各標(biāo)志點的坐標(biāo)值可以計算得到各標(biāo)志點平均的水平和豎直速度。

水平運動速度的計算公式：

豎直運動速度的計算公式：

式中：X為圖片上各標(biāo)志點的橫坐標(biāo)；Y為圖片上各標(biāo)志點的縱坐標(biāo)；n為提取圖像系列的幀數(shù)；t為兩幅相鄰圖片的時間間隔，本文中，t＝0．05s。通過對拍攝圖像的處理和分析，可以得出圖像坐標(biāo)系中各關(guān)節(jié)標(biāo)志點的速度值，然后再根據(jù)圖像空間與實際空間的比例系數(shù)d（通過標(biāo)尺就可以得到，即確定標(biāo)尺的長度和圖像中標(biāo)尺長度的比例關(guān)系），最后求出標(biāo)志點的實際速度。具體的計算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 上樓梯、平地行走、下蹲和起立時各標(biāo)志點的平均水平速度 m／s

表2 下蹲和起立時各標(biāo)志點的平均豎直速度 m／s

通過表1和表2對比分析可知，在上樓梯和平地行走過程中，各標(biāo)志點的水平速度從髖關(guān)節(jié)到足依次減小，其中髖關(guān)節(jié)水平速度最快，跖骨的最慢；在下蹲和起立過程中，膝關(guān)節(jié)水平活動范圍較大，故其水平速度數(shù)值也較大，而髖關(guān)節(jié)在豎直平面內(nèi)有較大的活動范圍，故其豎直速度也比較快。

2．2 不同運動狀態(tài)下各關(guān)節(jié)角度的變化

在人體下肢進(jìn)行不同運動時，各個關(guān)節(jié)角度的定義如圖5所示。對不同運動拍攝的圖像進(jìn)行處理并計算各關(guān)節(jié)角度。

圖5 下肢運動各關(guān)節(jié)角度的定義

各角度的計算公式分別為：

通過對以上獲得的不同運動下的圖像進(jìn)行解析，得到各關(guān)節(jié)角的變化，如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可得出：

1）上樓梯和平地行走時除屈膝角外其余4個角的變化趨勢比較相似；

2）上樓梯時膝關(guān)節(jié)先屈曲，再伸展，后屈曲，屈膝角變化范圍較窄（0°～35°），但變化速度較快；

3）平地行走時膝關(guān)節(jié)彎曲角度逐步增大（20°～51°），變化相對比較平緩。

圖6 上樓梯時屈膝角等角度在步行周期內(nèi)的變化

圖7 平地行走時屈膝角等角度在步行周期內(nèi)的變化

2．3 各運動狀態(tài)下的曲棍圖

作出右側(cè)腿在上樓梯、平地行走、下蹲等運動過程的曲棍圖（見圖8—圖10）。起立運動的曲棍圖為圖10的逆箭頭方向運動。

圖8 上樓梯時在三個臺階上右側(cè)腿的曲棍圖

從不同運動時右側(cè)腿的曲棍圖，可以得出：

1）在上樓梯和平地行走運動中每一個步態(tài)周期的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)變化比較簡單。

2）在上樓梯中整個足底幾乎同時著地，足尖最后離開地面；在平地行走每一個步行周期中，運動過程主要經(jīng)歷足跟著地、單腿支撐、腳趾離地三個階段。

3）下蹲、起立運動過程中，膝關(guān)節(jié)角度變化明顯，在0°到145°范圍內(nèi)變化，髖關(guān)節(jié)主要在豎直范圍內(nèi)有明顯位移變化，踝關(guān)節(jié)的位移基本不改變。

圖9 平地行走右側(cè)腿曲棍圖

圖10 下蹲右側(cè)腿曲棍圖

3 結(jié)論

本文采用運動拍攝的方法，對人體下肢在平地行走、下蹲和起立以及上樓梯時的運動進(jìn)行了拍攝和解析。通過對獲得的圖像序列進(jìn)行分析和處理，得到人體下肢在不同運動時各關(guān)節(jié)標(biāo)志點平均運動速度、關(guān)節(jié)角度的變化等運動學(xué)數(shù)據(jù)。對比分析后，可得出以下結(jié)論：

1）在平地行走的每一個步行周期中，主要集中在足跟著地、單腿支撐、腳趾離地這三個階段；而在上樓梯中整個足底幾乎同時著地，足尖最后離開地面。

2）各關(guān)節(jié)標(biāo)志點的水平速度從髖部到足依次減小，其中髖關(guān)節(jié)水平速度數(shù)值最大，跖骨的最小。

3）上樓梯時膝關(guān)節(jié)先屈曲，再伸展，后屈曲，屈膝角變化范圍較窄，但變化速度較快；平地行走時膝關(guān)節(jié)屈膝角度逐步增大，但變化相對比較平緩。故在上樓梯的過程更易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷。

4）采用本文所介紹的方法可以簡單而快速地確定人體的運動學(xué)數(shù)據(jù)。一方面可以為人體運動的計算機模擬和分析提供運動學(xué)數(shù)據(jù)，另一方面也可為臨床運動相關(guān)疾病的診斷提供參考，為運動康復(fù)訓(xùn)練提供運動學(xué)依據(jù)。

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