采用三維運動分析的步態(tài)康復訓練實驗裝置*

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

采用三維運動分析的步態(tài)康復訓練實驗裝置*

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)科大學信息與工程學院，浙江溫州325035；2.溫州醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院，浙江溫州325035）

為量化分析和評定肢體傷殘患者康復訓練后的康復程度，研究開發(fā)出一種基于三維MEMS加速度傳感器的步態(tài)康復訓練分析系統(tǒng)。通過單片機控制并由三維MEMS傳感器采集患者行走時的加速度信號，將信號通過RF無線傳輸至計算機內，由計算機程序處理分析患者的步態(tài)信號，從而量化分析患者的康復程度，并儲存患者的步態(tài)運動信息以供醫(yī)生定期分析，作為今后康復治療的依據(jù)。通過實驗證明了使用加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)影像學檢測步態(tài)狀況的可行性，相比于傳統(tǒng)的基于影像學的步態(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)的體積和復雜性，使患者使用更加方便，便于推廣應用。

三維步態(tài)分析；微電機系統(tǒng)；加速度傳感器

0　引言

步態(tài)分析是生物力學中的一個特殊的分支，是對人體行走時的肢體關節(jié)運動進行運動學觀察和動力學分析，提供一系列時間、幾何及力學參數(shù)和曲線。因為其能夠客觀定量地評定患者的步態(tài)狀況，近年來隨著科學技術的發(fā)展這一技術在國內外的矯形外科及康復醫(yī)療的應用變得越來越普遍［1-3］。但是傳統(tǒng)的步態(tài)分析方法由于基于影像學分析，設備成本高、體積大，有一定的局限性。近年來隨著微電機系統(tǒng)的成熟，使用基于加速度傳感器的步態(tài)分析系統(tǒng)進行步態(tài)分析成為了可能。本文即是通過使用微電機加速度傳感器設計并實現(xiàn)一個步態(tài)信號采集裝置，并將裝置采集到的信號通過使用C#便攜的上位機程序對接收到的信號進行分析、儲存和顯示，從而實現(xiàn)一個基于加速度傳感器的三維步態(tài)分析系統(tǒng)。

1　整體設計

本系統(tǒng)主要分為信號采集部分與信號處理部分，患者測試時由綁在患者腿上的加速度傳感器采集到加速度信號后將數(shù)據(jù)通過RF無線模塊發(fā)送至上位機進行信號分析與存儲。系統(tǒng)結構如圖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信號采集部分

信號采集部分主要分為傳感器、信號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，非常有利于減小采集器的體積，并且低功耗可以延長信號采集裝置的使用時間。

信號處理部分主要為濾波器與單片機，因為在信號采集時會受到噪聲干擾，而正常人的步態(tài)信號的頻率一般在2Hz左右，所以需要在傳感器采樣后將信號在MCU（單片機）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)模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

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

1.2信號處理部分

系統(tǒng)的信號處理程序采用C#與MATLAB的混合編程來編寫，使用C#能夠使程序調理更為清晰，具有良好的可操作性，同時引用MATLAB對數(shù)據(jù)進行計算更為準確有效。將采集到的信號存入數(shù)據(jù)庫中并且通過MATLAB對信號進行數(shù)字信號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　信號分析

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

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，在進行信號采樣時采樣頻率為5Hz，而在信號采集時有較多的噪聲信號，主要噪聲為50Hz工頻噪聲。所以，在對步態(tài)信號進行數(shù)字信號處理時首先對信號進行濾波處理，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。因為信號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，從而保證信號不會因為濾波而失真。因此最終選用巴特沃茲濾波器設計的低通濾波器，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比

2.2步態(tài)參數(shù)的計算方式

行走時一側足跟著地至該足跟再次著地稱為一個步態(tài)周期，在一個步態(tài)周期中，每側肢體要經(jīng)過踩地負重和離地擺動兩個階段，分別稱為步態(tài)周期的站立相和擺動相。根據(jù)是單足著地還是雙足著地，將站立相分為單肢負重期和雙肢負重期。而步長、步頻、步速是步態(tài)的3大要素。

步長即行走時一側足跟著地到緊接著的對側足跟著地所行進的距離，又稱單步長，單位通常為cm。健康人平地行走時，一般步長約為50～80cm。個體步長的差異主要與腿長有關，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，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，一般是腿短者步頻大于腿長者。而步速即人行進的速度。

需要對接收到的信號進行數(shù)字信號分析從而得出具體的步態(tài)參數(shù)。從圖3所示的時域波形可看出，步態(tài)信號可以看作是一個準時變信號，那么就可以求得步態(tài)信號的自相關函數(shù)。其計算方式如式（1）所示：

式（1）為一個信號x（n），n=1，2，…，N的無偏自相關函數(shù)定義，其中m為任意數(shù)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［13］。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。

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

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

圖3　三軸步態(tài)加速度的時域圖形

圖4　X軸與Z軸加速度信號的自相關函數(shù)

同理可以對加速度信號進行積分從而求得測試者的運動距離s和運動速度v，通過這些計算出測試者的步長和步幅［13-15］。

3　步態(tài)狀況評估方式

在得到患者的步態(tài)參數(shù)之后需要對這些數(shù)據(jù)進行步態(tài)分析。因為不同的肢體疾病所表現(xiàn)的步態(tài)信號具有差異性，所以對比正常人與各種病理狀態(tài)下的人在步態(tài)周期中有關時間、幾何、力學等正常參數(shù)值和曲線可以統(tǒng)計得出不同情況下的步態(tài)參數(shù)范圍，通過與步態(tài)信號獲取裝置所獲的信號的分析結果進行對比，從而得到測試者的步態(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、脊柱及下肢各關節(jié)疾病患者的運動學參數(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，該測試為康復醫(yī)生提供了患者步態(tài)健康狀況的定量分析結果，為其診斷提供參考［3］。

4　結果與分析

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

圖5　信號采集界面顯示的步態(tài)信號的樣例

程序將信號傳入數(shù)據(jù)庫，之后通過信號處理模塊進行濾波處理，處理結果如圖6所示，然后進行信號處理得到該組信號的步頻、步長與步幅，最后與基準值對比，得到的結果如圖7所示。

圖6　X軸信號濾波前后對比

圖7　步態(tài)分析結果演示

5　結論

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

（1）便攜性：采用微電機系統(tǒng)加速度傳感器使得采集裝置體積小，便于捆綁至測試人員身上進行測試；同時相對于傳統(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，不必進行系統(tǒng)的學習。

（3）可擴展性：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#的實時鏈接，信號需要通過MATLAB的后臺程序進行數(shù)字信號處理，導致本系統(tǒng)無法實現(xiàn)實時的數(shù)字信號處理功能。這也將是今后系統(tǒng)完善的主要目標。

［1］CHURCHILL A J G，HALLIGAN P W，WADE D T. RIVCAM：asimplevideo-based kinematic analysisfor clinical disorders of gait［J］.Computer Methods and Programs in Biomedicine，2002，69：197-209.

［2］ABEL R，SCHABLOWSKI M，RUPP R，et al.Gait analysis on the treatmill-monitoring exercise in the treatment of paraplegia［J］.SpinalCord，2002，40（1）：17-22.

［3］白躍宏，周俊，梁娟.步態(tài)分析在臨床中的應用［J］.中國矯形外科雜志，2006，14（10）：787-789.

［4］曹赟，周宇，徐寅林.加速度傳感器在步態(tài)信號采集系統(tǒng)中的應用［J］.信息化研究，2009，35（9）：51-54.

［5］李雅.步態(tài)加速度信號的無線采集系統(tǒng)設計［J］.計算機與現(xiàn)代化，2007（12）：105-108.

［6］侯向鋒，劉蓉，周兆豐.加速度傳感器MMA7260在步態(tài)特征提取中的應用［J］.傳感技術學報，2007，20（3）：507-511.

［7］王犇，袁濤，梁燦.基于加速度特征點提取的步態(tài)身份認證［J］.清華大學學報，2009，49（10）：1601-1604.

［8］TAKEDA R，TADANO A S，NATORIGAWA A，et al.Gait posture estimation using wearable acceleration and gyro sensors［J］.Journal of Biomechanics，2009，42（15）：2486-2494.

［9］田文超.微電機系統(tǒng)（MEMS）原理、設計和分析［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

［10］張貴欽.微機電系統(tǒng)（MEMS）研究現(xiàn)狀及展望［J］.組合機床與自動化加工技術，2002（7）：1-3.

［11］惲曉平.康復療法評定學［M］.北京：華夏出版社，2005.

［12］楊毅明.數(shù)字信號處理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［13］戴克戎.步態(tài)分析及其應用［J］.中國骨科雜志，1991（3）：207-210.

［14］劉蓉，黃璐，李少偉，等.基于步態(tài)加速度的步態(tài)分析研究［J］.傳感技術學報，2009，20（6）：893-896.

［15］吳正毅.測試技術與測試信號處理［M］.北京：清華大學出版社，1991.

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)學工程。

2013 年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃（ 2013R413025 ）

胡良岡（1960-），通信作者，男，高級實驗師，主要研究方向：生物醫(yī)學工程和智能識別。E-mail：firegang@163.com。