[科普中国]-步态分析系统

步态分析系统，主要用于检测动物神经中枢，指导动物身体四肢运动的行为检测装置，动物在步态运动的区域上运动时，运动姿态，及四肢的反应情况，通过计算机采集一系列数据，做为研究康复运动的科研仪器。

概述人体运动是神经系统控制1000多块肌肉有节律收缩，驱动200多块骨骼绕100多个关节协同运动的结果。尽管近年来生命科学研究取得了很大进展，但是距离模拟大脑控制肢体运动的过程还非常远，因此康复医学、体育学等研究者普遍采用观察人肢体宏观运动来诊断人体运动功能疾病，评估人体康复进程，指导体育训练与选材。

步态分析系统是检测人肢体宏观运动最常用的设备，我们主要研究通过对利用普通摄像机得到的人体运动图像进行图像处理，来进行步态分析的技术及装置。内容涉及人体运动轨迹、地面支反力和表面肌电信号的检测与分析技术，以及康复进程评定方法等。1

人体步态分析系统研究的重要意义步行是人类最基本的运动，步行的姿态可分为不同的类型，通过检测人体行走中的运动状态、受力状态等生物力学有关的物理量，可进一步分析影响步态的各种因素，如解剖结构、生理功能甚至精神状态的各种变化。为此，需要一定的技术手段和设备(即步态分析系统)。步态分析系统的研制在医疗、体育、康复、人类学、宇航、工业等方面均有重要的科学意义及应用价值：

1.能够获取人体在各体态和运动下的生理、病理的力学和数学参数，进行人体各部位和机能检测，所检测的数据经进一步分析计算后可获得人体各部位(特别是关节)的受力状态、以及机械功、代谢能量消耗的情况。当前除本系统外，尚无其它技术可代替。

2.在临床医学(包括骨科、神经科)中，该系统是重要的定量检查与分析的手段，从而改变了沿用己久的定性分析和直观描述。利用术前测得的各种人体运动曲线、数据及分析结果，我们可对关节疾患的程度进行测定，并在此基础上对手术方案进行最优化拟定；术后数据及分析结果是评定治疗效果的最精确的客观定量指标。目前，本技术在国外已广泛用于人工关节手术前后的功能和疗效评定或残废鉴定，在国内已有个别医院将步态分析作为躯干和下肢疾病的常规检查及随访手段。

3.可为假肢和人工关节设计提供所需依据，也是当前人工关节置换术一前后进行定量分析与评价的唯一手段。

4.为躯干和下肢的生物力学研究提供基本参数。

5.在康复医学中，可以指导患者术后的行走训练，是设计智能化假肢的支持技术。

6.步态分析系统极适合体育运动中的训练记录分析和评价，是分析动作，提高成绩的定量依据.在运动训练中，该系统的实时反馈功能将特别有用。

7.步态分析系统还可用于工业测量与控制，如对工业机器人的运动次序进行标定与评价，记录机器人操作时的运动，并以此为依据改进机器人。

8.在人机工程方面，该系统可提供一个能够精确和自动地收集动、静态拟人数据的方法，这在宇航、航空方面有特殊的应用价值。1

步态分析系统的应用条件医院、体育训练场等环境与实验室环境有很大不同，因此，一套步态分析系统要从研究领域进入应用领域(如医院临床诊断)，必须具备一定的条件：

1.容易操作：非步态系统研究专业人员，如一般医生、护士稍加训练也会使用，理想情况是任何人都能操作。

2.输出结果直观，易于理解、保存。

3.执行时间较快，以缩短病人检查时间(最好不超过5分钟)。

4.能提供较多的参数。

5.成本较低，运行费用也要低。

6.安装、校准及运输都较方便。

7.适应面广，适合从儿童到成年人的步行、快跑及跳跃等的测量。

8.要求足够的测量量程及灵敏度，良好的线性、较少滞后效应、较高的采样率、空间分辨率、压力分辨率及信噪比等，此外还要求重复性好,性能稳定。

9.对受试者行动障碍较少，接近自然运动状态。1

三维步态分析系统组成简介步态分析是评价运动功能一个重要手段，但传统步态观察分析其准确性不能保证，而且受测试者的主观因素影响很大。由于这些缺陷，半自动化的三维步态分析系统就应运而生了。三维步态分析系统是一组通过网络将运动分析系统，动态体表肌电图和压力板连接来，提供实时的力学等数据，并对步态进行运动学和动力学分析的系统。年龄和性别差异都会造成获得的步态数据的差异。相较于临床测量和视觉步态分析，三维步态分析系统有更好的可靠性。

Desloovere等证明动态和静态相结合的临床测量不能充分的预测步态分析的数据。Kawamura等的研究也表明：视觉步态分析只有在初步接触地面时膝关节屈曲和骨盆倾斜度上有与三维步态分析相似的可靠性，在步态周期中的其他8项需要量化评估的选定点中可靠性均不如三维步态分析。2

组成三维步态分析系统主要由三维动作捕捉系统、三维测力台、无线表面肌电仪、足底压力组成。三维步态分析系统采集人体在步行过程中各个关节点的精确三维坐标，足底与支撑面之间的压力（垂直、左右、前后三个方向的力），并结合表面肌电系统采集的EMG信号，通过专业的步态分析软件进行三维重建与模型分析，从而得到人体运动时的步态参数。2

应用三维步态分析是一种新兴的运动评估技术，可以用于诊断，运动功能的评价，并指导治疗。对于科研和临床功能评价均是一种可靠的评价工具。 三维步态分析系统能够准确的鉴别并分析异常运动，及时的发现异常运动并可以通过运动学、动力学及动态肌电图的分析找出异常运动的原因。主要可鉴别分析运动异常，偏瘫诊断分析等。

三维步态分析系统是一个先进的功能评价技术。在国外三维步态分析系统已经开始运用于儿童运动评价中，从而进行异常步态的分析，治疗评价，手术方案确定和手术评价以及帮助矫形器的使用。相较于临床测量和视觉步态分析，三维步态分析系统有更好的可靠性。很多实验研究也证明临床测量的准确性和客观性都不及三维步态分析系统。此外，由于三维步态分析系统的可靠性和准确性，三维步态分析系统已经在科研中被作为一个评价的标准用以评价其他评估方法的可靠性和有效性。三维步态分析系统这一分析工具通过对生物动力学、运动学、肌肉活动情况的客观数据的分析，不受测试者经验及主观因素的影响，使得对儿童运动功能的评价相较于传统的量表评价方法和视觉评价更具客观性且更加全面，使得对儿童运动功能障碍的进一步的治疗更具靶向性，能够更准确的进行个体化治疗，更好的改善儿童的运动功能。

但是，三维步态分析系统在国内运用于临床儿童运动功能评价还存在许多问题。①缺乏国内儿童的正常数据库，目前所能使用的数据库均为西方的三维步态分析系统公司提供的数据库。而西方人和东方人的步态并不是完全相同的，用西方人的正常值范围来衡量及评价东方人的步态情况是不完全准确的。②只使用两块测力台也给三维步态分析的运用造成了影响，儿童的理解力有限，很难完全的理解并完全按照医师的要求进行步行。③目前，三维步态分析系统的运用并不一定总是可靠的，需要控制变异性，才能使三维步态分析的结果可靠。2

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学