步态分析

步态分析是对动物运动的系统研究，更具体地说是对人类运动的研究，它使用观察者的眼睛和大脑，并通过测量身体运动，身体力学和肌肉活动的仪器加以补充。[1] 步态分析用于评估和治疗影响步行能力的个体。 它也常用于运动生物力学中，以帮助运操作更有效地奔跑，并识别受伤人员的姿势相关或运动相关的问题。

这项研究包括量化（即对步态的可测量参数进行介绍和分析），以及解释，即从步态中得出有关动物的各种结论（健康，年龄，大小，体重，速度等）。


步态分析实验室，配备红外摄像头和落地式测力平台

内容
1 历史
2 工艺与设备
3 因素和参数
4 技巧
4.1 时间/空间
4.2 运动学
4.3 无标记步态捕获
4.4 压力测量
4.5 动力学
4.6 动态肌电图
5 应用
5.1 医疗诊断
5.2 整脊和整骨疗法
5.3 比较生物力学
5.4 步态作为生物识别
6 流行媒体
7 参考

历史
科学步态分析的先驱是《亚特尔多德》（De Motu Animalium，《动物的步态》）[2]，后来在1680年，乔瓦尼·阿方索·波雷利（Giovanni Alfonso Borelli）也称为“德莫图动物群”（I et II）。 1890年代，德国解剖学家克里斯蒂安·威廉·布劳恩和奥托·菲舍尔发表了一系列有关在有载和无载条件下步态的生物力学的论文。[3]

随着摄影和电影摄影技术的发展，可以捕获图像序列，这些图像序列揭示了人和动物运动的细节，而这些细节在用肉眼观看运动时并不会被发现。早在1900年代初期，Eadweard Muybridge和étienne-JulesMarey就是这些发展的先驱。例如，系列摄影首先揭示了“盖洛普”马的详细序列，通常在此发现之前的绘画中将其误解。

尽管许多早期的研究都是使用胶卷相机进行的，但步态分析已广泛应用于具有脑瘫，帕金森氏病和神经肌肉疾病等病理状况的人，该技术始于1970年代，当时可以使用摄像机系统进行详细的研究。在现实的成本和时间限制内的个别患者。根据步态分析结果，通常涉及整形外科的治疗方案的发展在1980年代取得了显著进展。现在，全球许多领先的骨科医院都拥有步态实验室，这些步态实验室通常用于设计治疗计划和跟踪监测。

现代计算机系统的开发是在1970年代末和1980年代初在几个医院研究实验室中独立进行的，其中一些是通过与航空航天业的合作实现的。[4]紧随其后的是商业发展，随后在1980年代中期出现了商业电视和后来的红外摄像系统。

工艺与设备


通过左右两边的腔室获取有关2D标记位置的信息，这种信息组合产生了标记位置的3D图像
典型的步态分析实验室在人行道或跑步机周围放置了多个摄像头（视频或红外），这些摄像头与计算机相连。该患者的标记物位于身体的各个参考点（例如骨盆的髂前上棘，踝踝和膝盖的骨节），或应用于身体一半部位的标记物组。病人沿着走道或跑步机走，计算机将在三个维度上计算每个标记的轨迹。应用一个模型来计算基础骨骼的运动。这样可以完全分解每个关节的运动。一种常用的方法是使用Helen Hayes Hospital标记物套装，[5]在下半身总共贴有15个标记物。分析15种标记运动，并提供每个关节的角运动。

为了计算步态模式的动力学，大多数实验室都有落地式负载传感器，也称为测力平台，用于测量地面反作用力和力矩，包括大小，方向和位置（称为压力中心）。力的空间分布可以使用脚踏气压计设备进行测量。将其添加到每个人体节段的已知动力学中，可以基于牛顿-欧拉运动方程式求解方程，从而可以计算步态周期每个阶段围绕每个关节的净力和净力矩。为此的计算方法称为逆动力学。

但是，动力学的这种使用并不会产生有关单个肌肉的信息，而是有关肌肉群的信息，例如肢体的伸肌或屈肌。为了检测单个肌肉的活动和对运动的贡献，有必要研究肌肉的电活动。许多实验室还使用附着在皮肤上的表面电极来检测肌肉的电活动或肌电图（EMG）。这样，可以研究肌肉的激活时间，并在一定程度上研究其激活程度，从而评估其对步态的贡献。与正常的运动学，动力学或EMG模式的差异可用于诊断特定的病理，预测治疗结果或确定培训计划的有效性

因素和参数
步态分析受许多因素调制或修改，正常步态模式的变化可以是暂时的或永久的。这些因素可以有多种类型：

外在：例如地形，鞋类，服装，货物
本质：性别，体重，身高，年龄等
身体：例如体重，身高，体格
心理：人格类型，情绪
生理：人体测量学特征，即身体的尺寸和比例
病理性：例如创伤，神经系统疾病，肌肉骨骼异常，精神疾病
步态分析考虑的参数如下：

步长
步幅
韵律
速度
动态基础
渐进线
底脚角度
臀部角度
深蹲表现[6]
技术技巧
步态分析涉及测量[7]，其中引入和分析可测量的参数，以及解释，得出关于受试者（健康，年龄，大小，体重，速度等）的结论。分析是对以下各项的度量：

时间/空间
它由速度，节奏长度，音高等的计算组成。这些测量通过以下方式进行：

秒表和地面上的标记。
在压力垫上行走。
测距激光传感器扫描距离地面几厘米的平面。[8] [9]
惯性传感器和软件，用于解释3D陀螺仪和3D加速度计数据。

运动学
计时摄影是记录运动的最基本方法。过去已使用已知频率的频闪照明来帮助分析单幅图像的步态。[10] [11]
使用来自单个或多个摄像机的镜头的电影胶片或视频记录可用于测量关节角度和速度。分析软件的开发为该方法提供了帮助，该软件极大地简化了分析过程，并允许在三个维度而不是仅两个维度进行分析。
使用反射式标记（通常是反射球）的无源标记系统允许同时使用多个摄像机（通常为五到十二个摄像机）精确测量运动。摄像机利用高功率频闪灯（通常是红色，近红外或红外）和匹配的滤镜来记录来自放置在人体上的标记的反射。标记位于明显的解剖界标处。基于原始信号和反射信号之间的角度和时间延迟，可以在空间中对标记进行三角测量。使用软件从这些标记创建三维轨迹，然后为其赋予识别标签。然后，使用计算机模型从标记轨迹的相对标记位置计算关节角度。[12]这些还用于电影行业中的运动捕捉。[13]
主动标记系统类似于被动标记系统，但使用“主动”标记。这些标记由传入的红外信号触发，并通过发出自己的相应信号进行响应。然后，该信号用于对标记的位置进行三角测量。该系统相对于被动系统的优势在于，各个标记都以预定的频率工作，因此具有自己的“身份”。这意味着不需要对标记位置进行后期处理，但是，与无源系统相比，该系统对于可见标记的容忍度要低得多。[14]
基于MEMS惯性传感器，生物力学模型和传感器融合算法的惯性（无相机）系统。无论光照条件如何，这些全身或部分全身系统均可在室内和室外使用。
无痕步态捕获
无标记步态捕获系统利用一台或多台彩色相机或2.5D深度传感器（即Kinect）从一系列图像中直接计算出人体关节的位置。无标记系统允许在没有任何标记附着的自然环境中进行非侵入性人类步态分析。消除标记可以扩大步态测量和分析技术的适用性，大大减少准备时间，并可以在各种应用中进行有效而准确的运动评估。当前，主要的无标记系统是使用单目摄像机或多摄像机工作室进行基于视频的运动捕获。[15]如今，用于临床应用的基于深度传感器的步态分析变得越来越流行。由于深度传感器可以测量深度信息并提供2.5D深度图像，因此它们有效地简化了前景/背景相减的任务，并显著减少了单眼人类姿势估计中的姿势歧义。[16]
压力测量
压力测量系统是一种通过测量压力分布，接触面积，力的移动中心以及两侧之间的对称性来了解步态的另一种方法。这些系统通常不仅提供压力信息，还提供更多信息。这些系统提供的其他信息包括力，时间和空间参数。 [17] [18]有多种评估压力的方法，例如压力测量垫或人行道（长度较长，以捕获更多的脚部撞击），以及鞋内压力测量系统。 ]许多压力测量系统与其他类型的分析系统集成在一起，例如运动捕获，EMG或测力板，以提供全面的步态分析。

动力学
是对参与机芯生产的力量的研究。

动态肌电图
是对步态期间肌肉活动模式的研究。

应用领域
步态分析用于分析人和动物的行走能力，因此该技术可用于以下应用：

医学诊断
病理步态可能反映了对潜在病理的补偿，或可能是造成症状本身的原因。脑瘫和中风患者通常在步态实验室中看到。对步态的研究允许做出诊断和干预策略，并允许康复工程的未来发展。除临床应用外，步态分析还用于专业运动训练中，以优化和改善运动表现。

步态分析技术可以评估步态障碍和矫形外科手术的效果。治疗脑瘫的方法包括使用肉毒杆菌毒素使痉挛性肌肉麻痹，或延长，重新附着或分离特定的肌腱。还进行了畸形的骨骼解剖的矫正（切骨术）。

整脊和整骨疗法
步态的观察对于脊骨疗法和整骨疗法专业的诊断也是有益的，因为步态障碍可能表明骨盆或骶骨未对准。随着骶骨和髂骨彼此机械地相对运动，它们中的两个人通过骶棘或骶结节韧带（以及其他）之间的粘连可能表明骨盆旋转。整脊疗法和整骨疗法的两位医生都使用步态来识别骨盆的位置，并且可以采用各种技术来将活动范围恢复到整个活动范围。骨盆整脊调整已显示出有助于恢复步态的趋势[19] [20]，而骨病性手法治疗[OMT]也是如此。[21] [22]

比较生物力学
通过研究非人类动物的步态，可以获得关于运动机理的更多见解，这对于理解所讨论物种的生物学以及更广泛的运动具有不同的含义。

步态作为生物识别
步态已被确立为一种生物识别技术，可以通过人们的行走方式对其进行识别。[23]步态识别技术的进步因此导致了取证技术的发展，因为每个人都可以通过独特的测量方法（例如脚踝，膝盖和臀部的位置）来定义步态。[24]

大众媒体
吉斯切斯特顿（G. K. Chesterton）以步态识别为前提，确立了他父亲布朗的奥秘之一“酷儿脚”。
科里·多克托洛（Cory Doctorow）在步态识别中获得了很大的认可，这是他在《小兄弟》（Little Brother）一本书中所使用的一种安全技术。
亚瑟·柯南·道尔（Arthur Conan Doyle）让夏洛克·福尔摩斯（Sherlock Holmes）使用步态分析来确定《猩红色的研究》中拉奇杀手的身高。
电影《碟中谍5：不可能-盗贼国家》具有步态分析功能，在这个场景中，本吉·邓恩必须渗透使用步态分析软件作为其安全协议一部分的设施。
教科书
步态分析：正常和病理功能，第二版。 作者：杰奎琳·佩里（Jacquelin Perry）和朱迪思·伯恩菲尔德（Judith M. Burnfield）
步态分析。 作者：David F. Levine，Jim Richards和Michael Whittle。
观察步态分析。 作者：洛斯阿米戈斯研究与教育中心
步态分析：理论与应用。 作者：Rebecca L. Craik和Carol S. Oatis，
James R. Gage于2004年出版的《发展医学》，第164-165号，“脑瘫步态问题的治疗”。

另见
Biometric points
Gait Analysis: Normal and Pathological Function, Second Edition
Gait Abnormality Rating Scale
Gait deviations
Multilinear principal component analysis
Multilinear subspace learning
Pattern recognition
Terrestrial locomotion in animals
Comparison of orthotics
参考
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