步態(tài)建模與分析

1、精選文檔步態(tài)建模與分析1 步態(tài)分析的基本理論與方法1.1 步態(tài)研究的意義行走是我們每個(gè)人日常生活的重要組成部分，所以對(duì)步態(tài)的各方面進(jìn)行研究顯得至關(guān)重要。國(guó)外很早就在步態(tài)方面進(jìn)行了大量的研究，起源于17世紀(jì)歐洲，延續(xù)至今已有近四百年的歷程。國(guó)內(nèi)則從1982年開(kāi)始戴尅戎等人逐漸接觸和研究，在近幾年日趨成熟，從內(nèi)容、方法、結(jié)論等多方面都有較大進(jìn)展。除醫(yī)學(xué)研究外，許多工程領(lǐng)域都與步態(tài)研究密切相關(guān)：1臨床診斷。臨床醫(yī)學(xué)上對(duì)于病癥，特別是運(yùn)動(dòng)功能障礙病癥的正確診斷及治療手段都是基于對(duì)人體正常與非正常運(yùn)動(dòng)充分了解的基礎(chǔ)上的，因此關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)與分析方法的研究是該領(lǐng)域的必須環(huán)節(jié)。2康復(fù)工程。肢體殘疾是

2、所有殘疾中發(fā)生率最高的一種，肢體殘疾直接導(dǎo)致的是患者的運(yùn)動(dòng)功能障礙。肢體殘疾者使用的假肢和矯形器是康復(fù)工程領(lǐng)域中兩項(xiàng)很具代表性的主要技術(shù)，也是將人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析的成果進(jìn)行應(yīng)用研究的典型范例。3人機(jī)工程學(xué)。人機(jī)工程學(xué)研究的是人與機(jī)械、人與環(huán)境以及機(jī)械與環(huán)境之間的相互作用。作為人機(jī)系統(tǒng)中的兩大組成部分之一，人體的各種功能（包括運(yùn)動(dòng)功能）和限度是人機(jī)工程學(xué)的重要研究對(duì)象，也是人機(jī)工程學(xué)研究的基礎(chǔ)之一。4體育科學(xué)。體育科學(xué)包括運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)等與體育運(yùn)動(dòng)相關(guān)的學(xué)科，它們均是以體育運(yùn)動(dòng)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的研究來(lái)提高體育運(yùn)動(dòng)的水平，減少和避免運(yùn)動(dòng)中的意外傷害，治療運(yùn)動(dòng)損傷等。在對(duì)很多體育運(yùn)動(dòng)

3、（如體操、跳水等）的研究中，運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)和身體的平衡是重要的關(guān)注方向。5仿生機(jī)構(gòu)與仿生制造。自然界的生物經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的進(jìn)化，構(gòu)造了相當(dāng)完美的生命系統(tǒng)，模仿生命系統(tǒng)來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)、制造方法和制造系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義，生物學(xué)與機(jī)械工程結(jié)合產(chǎn)生了生物機(jī)械工程學(xué)(biomechanical engineering)；醫(yī)學(xué)與工程科學(xué)結(jié)合形成了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)(biomedical engineering)1。1.2 人體步態(tài)周期每個(gè)人獨(dú)特的步行方式代表了他如何解決以最小的力量，足夠的穩(wěn)定性和優(yōu)美的姿勢(shì)從一個(gè)地方移至另一個(gè)地方的問(wèn)題。研究表明2：對(duì)于人體步態(tài)影響較大的有六項(xiàng)決定性因素分別是骨盆轉(zhuǎn)動(dòng)，骨盆傾斜，

4、在足跟著地后屈膝，足和踝的運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和骨盆的運(yùn)動(dòng)。不過(guò)只有人體在平面上以正常速度行走時(shí)才能被應(yīng)用。他們?cè)诓綉B(tài)周期中的肌肉活動(dòng)起著動(dòng)力、震蕩吸收和穩(wěn)定性的作用。步行，類(lèi)似于其他身體動(dòng)作，有五種功能需要，每種需要有一種專(zhuān)門(mén)的解剖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所提供。功能需要與解剖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)表需 要對(duì)應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)來(lái)源關(guān)節(jié)杠桿需要和意識(shí)運(yùn)動(dòng)的控制能量供應(yīng)動(dòng)力單元（肌肉）骨和關(guān)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中樞系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)需 要對(duì)應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而對(duì)于步態(tài)的周期劃分，在1 個(gè)動(dòng)作周期中，根據(jù)腿部動(dòng)作的特征，可以分為支撐階段和擺動(dòng)階段。步行的周期國(guó)內(nèi)的戴尅戎3根據(jù)8個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)將步態(tài)周期分為7個(gè)期，即(以右下肢為例)跟著地期、站立

5、中期（此期全足接觸地面，身體在右下肢的支撐下不斷向前移動(dòng)）、推離期（右足跟離地至右膝關(guān)節(jié)開(kāi)始增加屈曲度）、加速期、擺動(dòng)前期、擺動(dòng)中期、擺動(dòng)后期。趙吉鳳、劉永斌4則采用RLA步態(tài)周期劃分法（美加利福尼亞州Rancho Los Amigos步態(tài)分析研究室提出的最新步態(tài)分期，圖1.2），即將步態(tài)分為承重期、支持中期、支持末期、預(yù)擺動(dòng)期、擺動(dòng)初期、擺動(dòng)中期、擺動(dòng)末期七個(gè)階段。RLA步態(tài)周期趙芳5等在周期的劃分上，強(qiáng)調(diào)了足跟著地和足跟離地時(shí)相中老年人的步態(tài)的特點(diǎn)和區(qū)別，將其劃分為:單支撐相、雙支撐相、擺動(dòng)相。指出，老年組單雙支撐時(shí)相約占周期的67%，中年組約占63%，在雙支撐時(shí)相，老年組的雙支撐時(shí)相約占

6、周期的35%，中年組約占26%，二者存在極顯著差異。陸愛(ài)云等6在步態(tài)周期的劃分上，也是分為站立相、擺動(dòng)相、雙肢負(fù)重相。鈴木鍵二7指出人類(lèi)步行從一側(cè)足到該側(cè)再次著地為止所用的時(shí)間為一步行周期。在一個(gè)步行周期中要經(jīng)過(guò)足底著地負(fù)重的站立相和足底離地移動(dòng)的邁步相。1.3步態(tài)的研究指標(biāo)1.3.1步態(tài)的時(shí)空參數(shù)步態(tài)時(shí)空參數(shù)包括：步行的時(shí)間參數(shù)、步行的空間參數(shù)和步行的時(shí)-空參數(shù)。步態(tài)周期的劃分及各時(shí)相所占比例是時(shí)間參數(shù)的指標(biāo)。正常步態(tài)具有穩(wěn)定性、周期性和節(jié)律性、方向性、協(xié)調(diào)性以及個(gè)體差異性，然而，當(dāng)人們存在疾病時(shí)，以上的步態(tài)特征將有明顯的變化。步長(zhǎng)、步寬、步速、步頻（圖3.6）作為空間參數(shù)的指標(biāo)被大量選用。

7、為了消除身高對(duì)速度和步長(zhǎng)的影響，趙芳、陸愛(ài)云等采用速度/身高，步長(zhǎng)/身高兩個(gè)參數(shù)更準(zhǔn)確地反映其變化。步的周期跨距時(shí)-空參數(shù)主要是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的角度-時(shí)間關(guān)系（圖3.7）。戴尅戎3還分析了髖、膝、踝關(guān)節(jié)在平地常速行走時(shí)的角度-角度關(guān)系。髖、膝、踝關(guān)節(jié)在冠狀面、矢狀面和水平面角度與時(shí)間的關(guān)系301.3.2步態(tài)的動(dòng)力學(xué)特征正常步行時(shí)身體的質(zhì)心沿一復(fù)雜的螺旋形曲線向前運(yùn)動(dòng)。在矢狀面內(nèi)表現(xiàn)為周期性上下移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦波，垂直方向上的高度變化幅值約為5 cm。在水平面內(nèi)表現(xiàn)為左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，軌跡同樣形成正弦波31。足-地接觸力通常可按垂直、前后和左右方向做三維記錄。行走時(shí)足一地接觸力在垂直方向

8、上的分力最大，在每個(gè)步態(tài)周期轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)極值，足跟著地時(shí)有一極大值，隨足部逐漸放平，受力面積逐漸增大，受力減小，足部完全放平時(shí)受力達(dá)最小，至足跟離地，足趾登地時(shí)出現(xiàn)另一極大值，即在整個(gè)步態(tài)周期中，垂直方向受力曲線具有典型的對(duì)稱(chēng)雙峰性質(zhì)。正常人足一地接觸力在水平、前后方向受力較小.且基本對(duì)稱(chēng)。Winter在前人成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年潛心研究基本建立了人體行走（走路）的生物力學(xué)模型。著地腳在垂直方向上，受力的方向不變，力的大小形似一條“雙峰曲線”，雖然兩峰值的大小隨速度的改變而變化，但在正常行走時(shí)兩力大小基本相同并占人體重量的110%左右。在前后方向上，受力的方向有所改變，在腳著地的前半段與人體運(yùn)動(dòng)

9、方向相反，后半段與人體運(yùn)動(dòng)方向相同，前后方向兩力最大值的大小基本一致并占體重。的25%左右。左右方向上力的方向相同，力的大小約占體重的5%。(a)Fx(t) (b)Fy(t)(c)Fz(t)步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的受力曲線32同時(shí)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，可以得到關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)功率、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度等一系列的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的各種步態(tài)分析軟件中，這些都是可以直接得到的。從而，為步態(tài)分析過(guò)程中的各種判斷提供依據(jù)。由測(cè)力板進(jìn)行測(cè)試后，可以對(duì)足部進(jìn)行分區(qū)，一般分為如下九個(gè)區(qū)域：第一趾（T1）、第二到五趾（T2-5）、第一跖骨頭（M1）、第二跖骨頭（M2）、第三跖骨頭（M3）、第四跖骨頭（M4）、第五跖骨

10、頭（M5）、足跟內(nèi)側(cè)（HM）、足跟外側(cè)（HL）。通過(guò)測(cè)力板或者測(cè)力鞋墊只能得到地面反作用力，不能像測(cè)力臺(tái)一樣得到力的空間矢量。但是他們可以得到各個(gè)不同區(qū)域地面反作用力的值。同時(shí)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算還可以得到壓強(qiáng)，沖量，接觸面積，步態(tài)中各分段的時(shí)間，以及在一個(gè)步態(tài)周期中的足底的壓力中心軌跡。 (a)足底的壓力以及中心軌跡線 （b）壓力的三維圖 (c)足底的分區(qū)(d)各區(qū)域壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)中由測(cè)力板測(cè)得數(shù)據(jù)1.3.3步態(tài)的肌電信號(hào)特征下肢肌較上肢肌粗大，這與維持直立姿勢(shì)，支持體重和行走相適應(yīng)。下肢肌按部位的不同可分為髖肌、大腿肌、小腿肌和足肌四大肌肉群。每個(gè)肌肉群中又存在數(shù)額不同的幾塊

11、肌肉。在步行過(guò)程中，各關(guān)節(jié)會(huì)根據(jù)需要做屈伸運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)的屈伸是由不同的肌肉在步態(tài)的不同階段收縮和舒張以及韌帶共同作用的結(jié)果。其中肌肉的收縮會(huì)造成肌電信號(hào)的不同。通過(guò)肌電信號(hào)的采集測(cè)試，我們可以得到一個(gè)步態(tài)周期中各肌肉的活動(dòng)情況（如表3.2）。步態(tài)周期中各肌肉的活動(dòng)注：摘自澤村誠(chéng)志從解剖結(jié)構(gòu)我們能知道不同肌肉對(duì)于各關(guān)節(jié)的不同屈伸運(yùn)動(dòng)所起到的作用，考慮到一般的實(shí)驗(yàn)均采用的是對(duì)人無(wú)害的表面肌電測(cè)試，故在步態(tài)的肌電測(cè)試中主要選擇的肌肉如表3.3所示。步態(tài)周期中表面肌電常選肌肉以及所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān) 節(jié)主要運(yùn)動(dòng)主要作用淺層肌肉髖關(guān)節(jié)屈股直肌伸臀大肌、股二頭肌膝關(guān)節(jié)屈半腱肌（較?。⒐啥^肌伸股四頭肌（股直

12、?。钻P(guān)節(jié)屈（跖屈）腓腸肌伸（背屈）脛骨前肌2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)備統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)步態(tài)的分析國(guó)內(nèi)外己經(jīng)進(jìn)行了多方面的研究，內(nèi)容雖各有不同，但就對(duì)步態(tài)的測(cè)試方面，使用的儀器和方法幾乎一致，即用攝影或攝像記錄和計(jì)算測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，使用測(cè)力臺(tái)記錄動(dòng)力學(xué)參數(shù)，也有少數(shù)使用足底壓力分布器測(cè)量更精確的足-地壓力分布規(guī)律，有些也使用肌電儀采集相關(guān)肌肉的肌電信號(hào)。然后，進(jìn)行綜合的統(tǒng)計(jì)分析等。2.1三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)人體運(yùn)動(dòng)捕捉和分析的研究始于20世紀(jì)80年代初12，因其在人體生物力學(xué)研究領(lǐng)域重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)已成為從事該領(lǐng)域的研究工作人員必須要掌握的一門(mén)技術(shù)。人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航13-1

13、4、康復(fù)治療15-16、虛擬現(xiàn)實(shí)17-18、動(dòng)畫(huà)仿真29、運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作校正等研究領(lǐng)域20，并涉及到與生物力學(xué)相關(guān)的許多基本問(wèn)題，如運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人體解剖、光學(xué)原理和剛體跟蹤等，其捕捉數(shù)據(jù)的精確度直接關(guān)系到后續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)與反向動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以能否采集到高精度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是該領(lǐng)域研究的前提。從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測(cè)量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成：傳感器、信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。到目前為止，常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)從原理上說(shuō)可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。同時(shí)，不依賴(lài)于專(zhuān)用傳感器，而直接識(shí)別人體特征的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)也

14、將很快走向?qū)嵱谩２煌淼脑O(shè)備各有其優(yōu)缺點(diǎn)，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：定位精度；實(shí)時(shí)性；使用方便程度；可捕捉運(yùn)動(dòng)范圍大??；成本；抗干擾性；多目標(biāo)捕捉能力。Optotrak® Certus三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)Optotrak® Certus儀器系統(tǒng)Optotrak® Certus是全球著名的加拿大NDI（Northern Digital Inc.）公司的主打成果產(chǎn)品，該儀器是專(zhuān)門(mén)為動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)捕捉開(kāi)發(fā)研制的，并且可以同步進(jìn)行肌電信號(hào)測(cè)量。Optotrak® Certus儀器系統(tǒng)主要包括：若干臺(tái)高精攝像頭、S-type系統(tǒng)控制單元（SCU）、可調(diào)型攝像頭支架、數(shù)

15、-模轉(zhuǎn)化儀、Marker點(diǎn)等（圖3.1）。該系統(tǒng)利用三個(gè)精確標(biāo)定好的線陣CCD，組成一個(gè)位移傳感器。通過(guò)CCD捕捉到主動(dòng)發(fā)光的Marker點(diǎn)所發(fā)出的近紅外光， 可以實(shí)時(shí)得到每個(gè)Marker點(diǎn)在不同時(shí)刻的三維空間坐標(biāo)（圖3.2）。Optotrak®Certus三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量工作原理Optotrak®Certus三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)21：(1)精度高（0.1mmRMS），分辨率可達(dá)0.01mm；(2)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集和顯示，可同時(shí)作動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量；(3)三維/六維自由度測(cè)量；(4)最多可支持512個(gè)Marker點(diǎn)；(5)最小Marker點(diǎn)的直徑4mm，重量只有2.5g5.5g；(

16、6)Marker點(diǎn)發(fā)光頻率是4600Hz，整個(gè)系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)頻率是1500Hz。(7)操作簡(jiǎn)單，出廠后無(wú)需再次標(biāo)定，可自由移動(dòng)，Marker可自動(dòng)識(shí)別。2.2足底壓力測(cè)量技術(shù)人體的足是由26塊骨，33個(gè)關(guān)節(jié)和126根韌帶、肌肉和神經(jīng)如同網(wǎng)狀一樣分層構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它的基本功能是支撐人體體重，緩沖、吸收沖擊力，產(chǎn)生向前的推力以及幫助調(diào)節(jié)、維持人體的平衡22。人體在靜止站立或者動(dòng)態(tài)行走時(shí)，在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到一個(gè)地面的反作用力，這個(gè)力就是足底壓力。人體的足相對(duì)于整個(gè)身體來(lái)講是相當(dāng)小的一個(gè)部分，但是人體的每一步行走，足底所受到的壓力是巨大的，這種壓力大概超過(guò)人體體重的50。就

17、人們?nèi)粘Ｉ疃裕骄咳嗣刻齑蟾庞?個(gè)小時(shí)在依靠其雙腳行走8000至10000步22。這就意味著一個(gè)人的足底每天都要累計(jì)承受幾百?lài)嵉膲毫?。?dāng)人體足部結(jié)構(gòu)發(fā)生一些病變或功能障礙以及當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，足底壓力和壓強(qiáng)分布都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。通過(guò)對(duì)人體在靜止或動(dòng)態(tài)過(guò)程中的足底壓力和壓強(qiáng)分布的研究，可以揭示步態(tài)的運(yùn)動(dòng)性特性和動(dòng)力性特征。足底壓力測(cè)量技術(shù)是運(yùn)用壓力測(cè)量?jī)x器對(duì)人體在靜止或者動(dòng)態(tài)過(guò)程中足底壓力的力學(xué)、幾何學(xué)以及時(shí)間參數(shù)值進(jìn)行測(cè)定，對(duì)不同狀態(tài)下的足底壓力參數(shù)進(jìn)行分析研究，揭示不同的足底壓力分布特征和模式，通過(guò)正常足與所研究足的足底壓力參數(shù)的對(duì)比研究，分析所研究足的形成原因及功能評(píng)定。根

18、據(jù)足底壓力測(cè)定的發(fā)展過(guò)程及使用技術(shù)的物理機(jī)制可將其分為足印技術(shù)(Pedography)、足底壓力掃描技術(shù)(sole barograph)、測(cè)力板(Force Plate)及測(cè)力臺(tái)技術(shù)(Force Platform)、壓力鞋及壓力鞋墊技術(shù)(In-shoe plantar)23。足印技術(shù)是人足在石膏、泥、橡膠等易變形物質(zhì)上留下的足印或痕跡，足底各部位的壓力大小能根據(jù)足印的形態(tài)及深淺做出大致判斷，同時(shí)還可以通過(guò)光學(xué)掃描得到量化結(jié)果。Morton24是最早利用此技術(shù)記錄足部壓力分布的學(xué)者之一。足底壓力掃描技術(shù)是在一塊玻璃的兩端安置光源，玻璃上放置橡膠等彈性墊，當(dāng)腳踩在彈性墊后，由于光在玻璃內(nèi)全反射，受

19、壓的彈性墊即可在玻璃下產(chǎn)生清晰的足印象，影像的光強(qiáng)度正比于壓力。腳印法與直接壓力掃描都是定性分析，足底受力的大小只能根據(jù)圖像的變化做大致的判定。測(cè)力板、測(cè)力臺(tái)，壓力鞋和鞋墊則是在換能器、傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的測(cè)試系統(tǒng)。壓力板有兩種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量，一種是按足部結(jié)構(gòu)將力板劃分多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可獨(dú)立地記錄作用于其表面的壓力，另一種是采用載荷單元法用載荷單元陣列作為足部支撐，各單元之間并不加以聯(lián)系，這樣載荷單元就可以記錄特定解剖部位上的載荷狀況。壓力板和載荷單元多采用力-電轉(zhuǎn)換技術(shù)，足底壓力被轉(zhuǎn)換為方便測(cè)量的電信號(hào)，可得到相當(dāng)精確的結(jié)果但具有電延遲性，不利于動(dòng)態(tài)研究。而同時(shí)具有精確性、良好的

20、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高靈敏度的壓電晶體技術(shù)就成為很好的替代。而且電工學(xué)的發(fā)展解決了長(zhǎng)期困擾該技術(shù)的充電泄露問(wèn)題，使其成為足底壓力測(cè)量的有力工具。測(cè)力板和測(cè)力臺(tái)只能測(cè)量足底壓力，不能評(píng)定足-鞋之間的受力情況25。由于測(cè)力板和測(cè)力臺(tái)的面積有限，所以只能測(cè)定站立或者步行一步的壓力參數(shù)。壓力鞋和鞋墊則是將傳感器安置在鞋和鞋墊中，這就克服了測(cè)力板和測(cè)力臺(tái)的不足，它可以將傳感器放置在需要測(cè)量的部位，由于鞋子和鞋墊與足底貼服，因此它可以連續(xù)測(cè)定足底壓力、時(shí)間等參數(shù)，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。目前，運(yùn)用最多的是鞋墊式足底壓力測(cè)量技術(shù)，它可以根據(jù)研究需要，調(diào)整壓力鞋墊的大小，并可以在不同種類(lèi)地鞋子上進(jìn)行測(cè)量。較為著名的鞋

21、內(nèi)墊系統(tǒng)主要有美國(guó)的F-scan系統(tǒng)、德國(guó)的Pedar系統(tǒng)和比利時(shí)的RSscan系統(tǒng)。另一類(lèi)可獲得連續(xù)足底壓力分布的方法是用附著于足底的壓力轉(zhuǎn)換墊片進(jìn)行測(cè)量。足底壓力測(cè)量技術(shù)有許許多多，但目前在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)領(lǐng)域用來(lái)測(cè)量及評(píng)價(jià)腳底壓力的儀器主要有三種：測(cè)力臺(tái)、測(cè)力平板、測(cè)力鞋墊系統(tǒng)（如圖3.4）。三種儀器來(lái)在測(cè)試性能方面各有特點(diǎn)。由于鞋墊測(cè)力系統(tǒng)受測(cè)試地點(diǎn)、測(cè)試環(huán)境、運(yùn)動(dòng)范圍的限制比較小，因此越來(lái)越多的應(yīng)用到腳底受力的測(cè)量當(dāng)中（如表3.1）。(a) Bertec Corporation的4060-80-1000型測(cè)力臺(tái) (b) Rsscan的平板測(cè)試系統(tǒng) (c) Rsscan的鞋墊式足底壓力測(cè)試

22、系統(tǒng)測(cè)量腳底壓力的常用儀器測(cè)力裝置比較測(cè)力臺(tái)測(cè)力平板鞋墊測(cè)試受力方向三維方向一維一維最大采樣頻率/Hz幾千幾百幾百測(cè)試精度精確較精確較精確測(cè)試運(yùn)動(dòng)范圍限制限制不限測(cè)試地點(diǎn)限制限制不限測(cè)試條件穿鞋或赤腳穿鞋或赤腳穿鞋腳底分區(qū)不可可以可以注：摘自2005亞洲運(yùn)動(dòng)與體育科學(xué)論壇.洪友廉，毛德偉2.3肌電測(cè)量系統(tǒng)近年來(lái)，隨著肌電圖（EMG）技術(shù)的發(fā)展，利用表面肌電信號(hào)記錄研究步態(tài)中肌肉作用也成為生理學(xué)中越來(lái)越常用的方法。表面肌電信號(hào)是從皮膚表面通過(guò)電極引導(dǎo)、記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)。表面肌電

23、信號(hào)測(cè)量技術(shù)具有非損傷性、實(shí)時(shí)性、多靶點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)26。對(duì)表面肌電信號(hào)測(cè)量技術(shù)的研究可揭示肌肉疲勞的機(jī)制；在運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中判斷疲勞，指導(dǎo)訓(xùn)練，預(yù)防疲勞損傷，尤其適用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌電變化，現(xiàn)已逐漸應(yīng)用于體育科研的許多方面27。Bortec Biomedical Ltd.的表面肌電測(cè)量系統(tǒng)肌電信號(hào)采集檢測(cè)時(shí)一般都要用三個(gè)電極，兩個(gè)電極（G1，G2）用于放在動(dòng)作電位可以被測(cè)量和放大的部位，第三個(gè)電極為接地電極，用作放大器的零電壓參考點(diǎn)。肌電圖常用的電極有表面電極（皮膚電極）、針電極、其它電極（絲狀電極、玻璃微電極等）。表面電極和針電極均由各種不同的金屬及合金制成，包括不銹鋼、白金、銀-氯化銀、鎳-鉻等

24、材料。運(yùn)動(dòng)中要求肌肉收縮，因此無(wú)創(chuàng)的表面肌電圖就成為首選。表面電極安放前應(yīng)剪掉測(cè)量部位的體毛，并用細(xì)砂紙和酒精（或丙酮）清潔皮膚，涂導(dǎo)電膏和牢固固定，以減少皮膚電阻、電極移動(dòng)對(duì)肌電圖信號(hào)的影響。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為表面電極的位置盡量靠近肌腹中心，便于從梭形肌獲得最大的電信號(hào)。大多數(shù)研究將電極貼在肌肉收縮的幾何中心，電極方向順著肌纖維的縱軸方向，兩電極相距2-3cm，接地線接在靠近電極而運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)穩(wěn)定的地方，這樣所測(cè)得肌電信號(hào)最穩(wěn)定。表面電極不能準(zhǔn)確記錄肌纖維的肌電活動(dòng)，但可以綜合的反映該部分肌肉的活動(dòng)程度。肌電信號(hào)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種可測(cè)的生物電活動(dòng)，通過(guò)肌電圖所獲得的肌電信號(hào)是較弱的一維

25、時(shí)間序列信號(hào)，它是表面電極所觸及的多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電變化在時(shí)間和空間上疊加的結(jié)果，其變化與參加活動(dòng)的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)單位數(shù)量、類(lèi)型、單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電頻率以及動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度、運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)同步化程度、運(yùn)動(dòng)單位元募集方式以及電極放置位置、皮下脂肪厚度、體溫變化等因素有關(guān)28-29。2.4步態(tài)數(shù)據(jù)的分析軟件Visual3D三維步態(tài)/體態(tài)分析軟件通過(guò)前面的各種設(shè)備，能采集到大量的數(shù)據(jù)，每個(gè)設(shè)備自身所帶的分析軟件只能針對(duì)該設(shè)備測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)，不能對(duì)一個(gè)步態(tài)中多個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的分析。為了達(dá)到這個(gè)目的，許多研究者開(kāi)發(fā)了大量的應(yīng)用軟件，其中Visual3D三維步態(tài)/體態(tài)分析軟件是世界領(lǐng)先的、最先進(jìn)

26、的三維步態(tài)/體態(tài)（運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)）分析軟件。Visual3D在科研與臨床應(yīng)用中獲得了巨大的成功，它提供了對(duì)三維運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)從模型建立、分析到報(bào)告生成的總體解決方案。同時(shí)這個(gè)軟件與NDI的Optorak®Certus運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)具有很好的兼容性，同時(shí)他也支持Vicon采集的數(shù)據(jù)，以及Bertec Corporation的各種測(cè)力臺(tái)和Bortec Biomedical Ltd.的表面肌電測(cè)量系統(tǒng)等等。他還能省時(shí)省力對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析與報(bào)告，具有良好的協(xié)作性數(shù)據(jù)的輸入采用了開(kāi)放的c3d標(biāo)準(zhǔn)，并且還具有精確性、可靠性與靈活性。該軟件可以利用采集到的三維運(yùn)動(dòng)捕作系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)和表面肌電系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析。同時(shí)，軟件中有一個(gè)獨(dú)立的模塊用以建立人體模型，有靈活的模型創(chuàng)建和在六個(gè)自由度上的定義劃分功能?？梢越⒐趋篮图∪饽Ｐ?，并與動(dòng)態(tài)模型匹配，可以有直觀的錄像展示。軟件不但可以以標(biāo)準(zhǔn)模板產(chǎn)生統(tǒng)一的報(bào)告。報(bào)告中的所有數(shù)據(jù)都可以輸出為EXCEL或WORD來(lái)打開(kāi)的文檔，并可輸入到MATLAB作進(jìn)一步的分析，使數(shù)據(jù)有很高的可讀性和可操作性。在軟件中提供