CN107811639B - 一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法 - Google Patents

一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，包括：提取人体在步行中骨盆和足上的6个部位的三维位置坐标；估计人体在步行中质心的三维位置坐标；计算人体在步行中质心的速度；确定步态站立中期。本发明的一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，利用合理的简化方法，通过一个夹角来逼近站立中期时刻，严格的数学运算，较为准确的确定步态站立中期这一关键事件。本发明原理可靠，计算便捷，实施简单，精度较高，从而为进一步的内外稳定性分析、步态特征提取以及生物力学计算等奠定基础。本技术较传统方法更符合定义并更加准确。

Description

一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法
技术领域
本发明涉及一种确定步态站立中期的方法。特别是涉及一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法。
背景技术
步态是人类步行的行为特征，正常步态具有明显的周期性。通常使用七个主要事件即首次触地、对侧足趾离地、足跟抬起、对侧首次触地、足趾离地、双足邻近和胫骨垂直将步态周期划分为承重反应期、站立中期、站立末期、摆动前期、摆动初期、摆动中期和摆动末期共七个阶段。
人类步行常简化为倒立摆模型，即假定人体质心(CoM)相对人体位置不变，其绕支撑侧踝关节做单摆运动。其中摆长使用CoM至外踝尖的距离估计。
将站立中期定义为在前进方向即CoM瞬时速度vCoM方向上CoM经过外踝尖的时刻。该时刻对内外向干扰极为敏感，可导致跌倒或额外迈步，故将其作为关键事件。确定站立中期，有利于下一步进行内外稳定性分析、步态特征提取以及生物力学计算等。
传统的站立中期使用CoM轨迹来进行估计，即CoM达到其最高点时认为达到站立中期，并以此区别跑步。但实际操作中发现其误差较大，且不符合其原始定义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够较为准确的站立中期的基于运动学数据确定步态站立中期的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，包括如下步骤：
1)提取人体在步行中骨盆和足上的6个部位的三维位置坐标；
2)估计人体在步行中质心的三维位置坐标；
3)计算人体在步行中质心的速度；
4)确定步态站立中期。
步骤1)所述的6个部位是：右侧髂前上棘、左侧髂前上棘、右侧髂后上棘、左侧髂后上棘、右侧外踝尖和左侧外踝尖。
步骤2)所述的估计人体在步行中质心的三维位置坐标是由下式获得：
Figure BDA0001418121510000011
Figure BDA0001418121510000012
其中，MidPSIS是左侧髂后上棘LPSIS与右侧髂后上棘RPSIS的中点，LPSIS是人体在步行中左侧髂后上棘的三维位置坐标，RPSIS是人体在步行中右侧髂后上棘的三维位置坐标，CoM是人体在步行中质心的三维位置坐标，LASIS是人体在步行中左侧髂前上棘的三维位置坐标，RASIS是人体在步行中右侧髂前上棘的三维位置坐标。
步骤3)所述的计算人体在步行中质心的速度是采用下式计算：
Figure BDA0001418121510000021
Figure BDA0001418121510000022
Figure BDA0001418121510000023
其中，vCoM(1)是第1帧质心的瞬时速度；vCoM(i)是第i帧质心的瞬时速度；vCoM(end)是最后一帧质心的瞬时速度；Δt为采样间隔时间，即采样频率的倒数；CoM(1)是第1帧质心的三维位置坐标；CoM(2)是第2帧质心的三维位置坐标；CoM(i)是第i帧质心的三维位置坐标；CoM(end)是最后一帧质心的三维位置坐标。
步骤4)所述确定步态站立中期是采用下式：
Figure BDA0001418121510000024
min(|cos LMidStanceAngle|)对应的LMidStanceAngle→90°
式中，LMidStanceAngle是左侧站立期内摆长地面投影与质心瞬时速度地面投影的夹角；LPendulumLengthProjection是左侧站立期内摆长地面投影；vCoMProjection是质心瞬时速度地面投影。以左侧为例，连结CoM与左侧外踝尖，即左侧摆长，左侧摆长地面投影LPendulumLengthProjection与质心瞬时速度地面投影vCoMProjection的内积除以二者模的乘积得到LMidStanceAngle的余弦值，当该余弦值的绝对值取最小值的时候，有LMidStanceAngle最接近90°，该时刻即站立中期。
本发明的一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，利用合理的简化方法，通过一个夹角来逼近站立中期时刻，严格的数学运算，较为准确的确定步态站立中期这一关键事件。本发明原理可靠，计算便捷，实施简单，精度较高，从而为进一步的内外稳定性分析、步态特征提取以及生物力学计算等奠定基础。本技术较传统方法更符合定义并更加准确。
附图说明
图1是本发明一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法的流程图；
图2是站立中期的确定示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法做出详细说明。
本发明的一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法为：首先提取采集到的右侧髂前上棘(RASIS)、左侧髂前上棘(LASIS)、右侧髂后上棘(RPSIS)、左侧髂后上棘(LPSIS)、右侧外踝尖(RLateralMalleolus)和左侧外踝尖(LLateralMalleolus)共6个标记点的三维运动捕捉数据，其次根据髂嵴处的四个标记点估计人体质心(CoM)的三维坐标，然后计算人体质心瞬时速度vCoM及其地面投影vCoMProjection，最后连结CoM与外踝尖，确定其地面投影与vCoMProjection正交之时即为站立中期。但由于采样频率限制，其正交时刻可能难以捕捉，故计算该侧站立期内摆长地面投影与质心瞬时速度地面投影的夹角MidStanceAngle，取其最接近90°的时刻作为站立中期。
如图1所示，本发明的一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，包括如下步骤：
1)提取人体在步行中骨盆和足上的6个部位的三维位置坐标；
所述的6个部位如表1所示为：右侧髂前上棘、左侧髂前上棘、右侧髂后上棘、左侧髂后上棘、右侧外踝尖和左侧外踝尖。
表1.标记点位置说明
标记点名称 位置 标记点名称 位置
RASIS 右侧髂前上棘 LASIS 左侧髂前上棘
RPSIS 右侧髂后上棘 LPSIS 左侧髂后上棘
RLateralMalleolus 右侧外踝尖 LLateralMalleolus 左侧外踝尖
此处默认各标记点三维位置坐标(x，y，z)，其中，x轴为前后方向，y轴为左右方向，z轴正方向为竖直向上，坐标系服从右手定则。
本发明实施例是使用运动捕捉系统如Vicon(Vicon Motion System Ltd,Oxford,UK)或Motion(Cortex,Motion Analysis,Santa Rosa,CA)采集人类步态的运动学数据。然后将采集的三维运动捕捉数据导入数据处理软件如MATLAB(The MathWorks Inc.,Natick,MA,USA)或LabVIEW(National Instruments,Austin TX USA)。选取合适的滤波器进行零相位滤波，以移除噪声，避免相移。然后从中提取出所需的LASIS、RASIS、LPSIS、RPSIS、LLateralMalleolus、RLateralMalleolus共6个标记点。
2)估计人体在步行中质心的三维位置坐标；质心坐标由右侧髂前上棘(RASIS)、左侧髂前上棘(LASIS)、右侧髂后上棘(RPSIS)、左侧髂后上棘(LPSIS)四个标记点的坐标估计得到，即先计算左侧髂后上棘LPSIS与右侧髂后上棘RPSIS的中点MidPSIS，再计算其与左侧髂前上棘LASIS和右侧髂前上棘RASIS构成的三角形的重心，即人体质心CoM，所述的估计人体在步行中质心的三维位置坐标是由下式获得：
Figure BDA0001418121510000031
Figure BDA0001418121510000032
其中，MidPSIS是左侧髂后上棘LPSIS与右侧髂后上棘RPSIS的中点，LPSIS是人体在步行中左侧髂后上棘的三维位置坐标，RPSIS是人体在步行中右侧髂后上棘的三维位置坐标，CoM是人体在步行中质心的三维位置坐标，LASIS是人体在步行中左侧髂前上棘的三维位置坐标，RASIS是人体在步行中右侧髂前上棘的三维位置坐标。
3)计算人体在步行中质心的速度；对人体质心坐标CoM进行中心差分，计算从第1帧到最后一帧(end)质心的瞬时速度vCoM，亦即步行速度。所述的计算人体在步行中质心的速度是采用下式计算：
Figure BDA0001418121510000041
Figure BDA0001418121510000042
Figure BDA0001418121510000043
其中，vCoM(1)是第1帧质心的瞬时速度；vCoM(i)是第i帧质心的瞬时速度；vCoM(end)是最后一帧质心的瞬时速度；△t为采样间隔时间，即采样频率的倒数；CoM(1)是第1帧质心的三维位置坐标；CoM(2)是第2帧质心的三维位置坐标；CoM(i)是第i帧质心的三维位置坐标；CoM(end)是最后一帧质心的三维位置坐标。
4)确定步态站立中期。
连结CoM与外踝尖，即倒立摆模型的摆长，当摆长地面投影PendulumLengthProjection与CoM瞬时速度地面投影vCoMProjection正交之时即为站立中期。但由于采样频率限制，其正交时刻可能难以捕捉，故计算该侧站立期内摆长地面投影与CoM瞬时速度地面投影的夹角MidStanceAngle，取其最接近90°的时刻作为站立中期。以左侧为例，如图2与公式(3)所示。其中二维向量LPendulumLengthProjection与vCoMProjection的内积除以二者模的乘积得到LMidStanceAngle的余弦值，当该余弦值的绝对值取最小值的时候，有LMidStanceAngle最接近90°，该时刻即站立中期。所述确定步态站立中期是采用下式：
Figure BDA0001418121510000044
min(|cos LMidStanceAngle|)对应的LMidStanceAngle→90°
式中，LMidStanceAngle是左侧站立期内摆长地面投影与质心瞬时速度地面投影的夹角；LPendulumLengthProjection是左侧站立期内摆长地面投影；vCoMProjection是质心瞬时速度地面投影。
本发明的一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，站立中期作为步态的一个关键事件，本技术发明将之确定后可用于步态特征的提取，然后进行后续的步态分析。站立中期时刻对内外向干扰极为敏感，可导致跌倒或额外迈步，故使用本技术发明确定站立中期后，可计算该时刻的内外稳定性，作为步态稳定性评估的一个重要的量化指标。
对于一些需要计算步态中的生物力学等场景，如假肢、矫形器、内固定、关节假体等，使用本技术发明确定站立中期后，可重点对该关键事件时刻进行力学分析，从而实现不同个体间的对比分析。

Claims (1)

1.一种基于运动学数据确定步态站立中期的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提取人体在步行中骨盆和足上的6个部位的三维位置坐标，所述的6个部位是：右侧髂前上棘、左侧髂前上棘、右侧髂后上棘、左侧髂后上棘、右侧外踝尖和左侧外踝尖；
2)估计人体在步行中质心的三维位置坐标，所述的估计人体在步行中质心的三维位置坐标是由下式获得：
Figure FDA0002401366790000011
Figure FDA0002401366790000012
其中，MidPSIS是左侧髂后上棘LPSIS与右侧髂后上棘RPSIS的中点，LPSIS是人体在步行中左侧髂后上棘的三维位置坐标，RPSIS是人体在步行中右侧髂后上棘的三维位置坐标，CoM是人体在步行中质心的三维位置坐标，LASIS是人体在步行中左侧髂前上棘的三维位置坐标，RASIS是人体在步行中右侧髂前上棘的三维位置坐标；
3)计算人体在步行中质心的速度，所述的计算人体在步行中质心的速度是采用下式计算：
Figure FDA0002401366790000013
Figure FDA0002401366790000014
2≤i≤end-1
Figure FDA0002401366790000015
其中，vCoM(1)是第1帧质心的瞬时速度；vCoM(i)是第i帧质心的瞬时速度；vCoM(end)是最后一帧质心的瞬时速度；Δt为采样间隔时间，即采样频率的倒数；CoM(1)是第1帧质心的三维位置坐标；CoM(2)是第2帧质心的三维位置坐标；CoM(i)是第i帧质心的三维位置坐标；CoM(end)是最后一帧质心的三维位置坐标；
4)确定步态站立中期，所述确定步态站立中期是采用下式：
Figure FDA0002401366790000016
min(|cosLMidStanceAngle|)对应的LMidStanceAngle→90°
式中，LMidStanceAngle是左侧站立期内摆长地面投影与质心瞬时速度地面投影的夹角；LPendulumLengthProjection是左侧站立期内摆长地面投影；vCoMProjection是质心瞬时速度地面投影，以左侧为例，连结CoM与左侧外踝尖，即左侧摆长，左侧摆长地面投影LPendulumLengthProjection与质心瞬时速度地面投影vCoMProjection的内积除以二者模的乘积得到LMidStanceAngle的余弦值，当该余弦值的绝对值取最小值的时候，有LMidStanceAngle最接近90°，该时刻即站立中期。
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