- 頭條福州大學科研人員研制出穿戴式步態分析系統，操作簡便，精度高2022-02-04 作者：李江慧、連春快、李玉榕 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語步態分析是對下肢運動情況量化評估的重要手段。福州大學海洋學院、福州大學福建省醫療器械和醫藥技術重點實驗室的研究人員李江慧、連春快、李玉榕，在2021年第9期《電氣技術》上撰文，采用基于慣性傳感器的步態時空參數估計算法，根據穿戴在小腿上的慣性傳感器節點檢測步態事件點，再對穿戴在腳跟處的慣性傳感器加速度信號進行雙重積分計算步長，根據步態時相校正加速度信號以提高步長估計精度，設計并實現了基于慣性傳感器的步態數據節點采集，完成了硬件和軟件的設計。 為了驗證系統的可靠性和準確性，對3個志愿者進行實驗。比較本步態分析系統和商用locometrix步態分析儀的結果，步長、步速和步頻的平均相對誤差分別為5.21%、4.51%和11.87%。結果表明利用研究人員研制的穿戴式步態分析系統，能精確估計步態時空參數。
步行是人類賴以生存的活動方式之一，人類通過深入研究步行的機制后發現，步行運動需要肌肉系統、神經系統及骨骼系統的協調配合，若其中任一環節出現問題，都可能導致步態異常甚至喪失步行能力。臨床上越來越多地使用步態分析對患者的下肢運動情況進行量化分析，并與正常人的步態數據對比來評估患者的病情，特別對于一些早期不容易被發現的下肢疾病的診斷更有意義。
通過步態分析可以檢測出人眼難以察覺的微小步態異常，從而實現對疾病的盡早發現、盡早干預，避免病情的惡化。在患者進行康復訓練時，由步態分析量化出的結果可以作為醫生評估患者下肢康復情況的依據，有助于對患者制定針對性的康復訓練方案，從而實現高效康復。
三維步態分析系統是目前精度最高且計算的參數最全面的系統，但它也存在一些問題：
①系統操作復雜，非專業人員難以對其進行調試和設備維護，如實驗前對相機的校準、相機擺放位置的調試等，如果沒調試好會嚴重影響三維步態分析系統的測量精度；
②三維步態分析系統對環境有很高的要求，需要有專門的場所來減少其他光源及噪聲的干擾，且場地較小，這限制了受試者的活動范圍；
③設備成本高，難以大范圍推廣，患者使用三維步態分析系統做檢測的費用成本和時間成本都比較高。
因此，越來越多的研究者期望采用廉價傳感器代替三維步態分析系統，在盡量提高測量精度的同時降低設備成本，并朝可穿戴化方向發展。
市場上已有多款商用化較成熟地采用微機電系統（micro-electro mechanical system, MEMS）傳感器的步態分析系統產品，比較著名的有荷蘭Xsens Technologies公司推出的Xsens MVN慣性動作捕捉系統、北京諾亦騰科技有限公司生產的鑒步運動功能評估系統等。現有的基于慣性傳感器的穿戴式系統多為全身運動捕捉系統，功能復雜，采集節點較多，穿戴過程較為繁瑣。
針對以上不足，福州大學的研究人員采用價廉的傳感器代替三維步態分析系統，實現了步態分析系統采集節點的硬件設計，以及步態參數估計算法的設計。其中，采集子節點的硬件是以STM32F411RET6為核心芯片，同時由傳感器電路、電源模塊、存儲模塊等構成；軟件包括下位機的數據采集、數據存儲等的程序設計。
圖1 步態參數計算程序流程
研究人員表示，與現有其他類型系統相比，該系統具有信息采集節點的體積較小、方便穿戴，所用的傳感器較為廉價、可降低設備成本，利于大范圍推廣，操作簡易方便，對算力要求較低等優勢，并實現可穿戴化。
圖2 傳感器穿戴位置
研究人員指出，在設計步態參數計算算法時，首先根據穿戴在小腿上的慣性傳感器測得的角速度信號確定積分時間，然后對利用穿戴于腳跟處的慣性傳感器測得的角速度信號進行雙重積分得到步長，并通過將站立相期間的足部加速度置零來減小積分誤差，提高步長估計精度。步頻通過一次步態實驗中的步數和時間的比值得到，步速通過一次步態實驗的位移和時間的比值得到。實驗表明，通過該步態分析系統，能得到準確的步態參數。
本文編自2021年第9期《電氣技術》，論文標題為“基于慣性傳感器的穿戴式步態分析系統設計與實現”，作者為李江慧、連春快、李玉榕。
