随机森林非对称步态质量评价模型的敏感因子分析

背景:非对称步态质量评价对康复训练有指导作用,但步态质量与步态运动学动力学参数关联尚不清楚。目的:构建基于步态参数的机器学习步态质量评价模型,提取非对称步态参数的质量敏感因子,探讨步态参数与步态质量的关系,用于指导非对称步态相关的训练和康复。方法:设置非对称因子,建立非对称步态模型数据库。开展步态试验采集8位青年和8位老年受试者(均为男性,右侧优势人群)的运动学、动力学数据,依据对称性指标对每组试验数据进行步态质量分析,建立步态参数-步态质量数据集;通过随机森林学习建立步态质量评价模型,使用因子重要性分析方法识别步态质量关键影响因子;使用关键因子更新步态质量评价模型。经10折交叉验证评估模型表现,使用交叉验证数据集来验证模型的评价效果。结果与结论:①设计了非对称步态质量梯度试验,得到梯度步态质量数据库,其中759组最优步态质量数据,329组次优数据,133组中间质量数据,125组较差步态质量数据;②探讨了随机森林算法在步态质量评价方面的应用方法,建立了步态质量与步态参数的关系模型,随机森林步态质量模型预测精度为95.99%;③对随机森林模型进行特征重要性排序,得到影响非对称步态质量的13个主要参数;④对上述13个主要参数进行步态质量敏感因子分析,筛选出5个步态质量敏感因子,使用敏感性因子建立的随机森林模型预测精度为94.20%。

基于时序分析的四足机器人对称步态变换

提出了一种四足机器人一般步态的时序分析方法.该方法使用8个参数描述一般步态:步态周期、前双腿落地之间的滞后时间、后双腿落地之间的滞后时间、同侧双腿之间的滞后时间以及各条腿的负荷系数.运用该方法分析了常用对称步态,经过归一化处理后得到了一个跨步周期中各腿着地和抬起的时间序列.证明了匀速情况下具有等负荷系数的两种对称步态之间只需要一个步态周期就能够完成步态变换,从而得到变换步态中各腿着地和抬起的时间序列.计算实例表明了该方法适用于分析对称步态变换.

四足机器人对称步态变换研究与实现

提出了一种四足机器人步态的时序分析方法,该方法使用8个参数来描述一般步态,得到了常用对称步态一个跨步周期中各腿着地和抬起的时间序列。匀速情况下具有相同负荷系数和不同步距的两种行走步态之间只需一个变换步态,用实例说明了变换步态中各腿着地和抬起的时间序列。制作了一个具有12个关节的小型四足机器人,并介绍了其控制系统的构成。按照时间序列来驱动其行走,结果表明该方法适用于四足机器人对称步态变换分析。

功能性电刺激康复训练对恢复期脑卒中偏瘫患者步态对称性的影响

目的分析功能性电刺激康复训练在恢复期脑卒中偏瘫患者中的应用效果。方法103例恢复期脑卒中偏瘫患者随机分为两组,对照组给予综合疗法,观察组在对照组基础上给予功能性电刺激康复训练,比较两组的干预效果。结果训练后,观察组的康复总有效率高于对照组,步长偏差、患健侧摆动比值和患健侧支撑比值均低于对照组,上肢和下肢运动功能评分均高于对照组(P<0.05)。结论功能性电刺激康复训练可提高恢复期脑卒中偏瘫患者的步态对称性及肢体运动功能。

矫形弹力绷带对痉挛性偏瘫脑性瘫痪患儿步态对称性和步行能力的效果

目的观察矫形弹力绷带改善痉挛性偏瘫脑瘫患儿步态对称性和步行能力的短期疗效。方法2020年6月至2023年6月,北京博爱医院痉挛性偏瘫脑瘫患儿31例,随机分为对照组(n=15)和试验组(n=16)。两组均接受常规康复治疗,此外,对照组采用常规步行训练,试验组佩戴矫形弹力绷带进行步行训练,共4周。训练前后,计算足偏角比(患侧足偏角/健侧足偏角)、步长比(患侧步长/健侧步长)、步态线长比(患侧步态线长/健侧步态线长)和站立阶段比(患侧站立阶段百分比/健侧站立阶段百分比);测量步宽和10米步行测试(10MWT)速度。结果试验组脱落1例。训练后,两组足偏角比、步长比、步态线长比和站立阶段比均改善(|t|>2.434,P<0.05),且试验组优于对照组(|t|>2.230,P<0.05);两组10MWT自选速度和最大速度均显著提高(|t|>9.186,P<0.001),且试验组高于对照组(|t|>2.278,P<0.05)。结论佩戴矫形弹力绷带训练能有效改善痉挛性偏瘫脑瘫患儿的步态对称性和步行能力。

对称负重式坐站转移训练对脑卒中后偏瘫患者 坐站转移稳定性和步态对称性的影响

目的探讨对称负重式坐站转移训练对脑卒中后偏瘫患者坐站转移稳定性和步态对称性的影响。方法选择2019年2月至2022年2月江苏省淮安市第一人民医院收治的101例脑卒中后偏瘫患者,依照随机数字表法分为对照组(50例)与研究组(51例)。对照组接受常规双足平行位坐站转移训练,研究组接受对称负重式坐站转移训练,两组均持续训练4周。比较两组训练前后Breg平衡量表(BBS)、脑卒中生存质量量表(QOF)、改良Barthel指数量表(MBI)、步长偏差、患健侧摆动比值、健患侧支撑比值;比较两组训练后人体重心点在矢状面的最大摆动幅度(COGX)、从站到坐时间、从坐到站时间。结果训练后,两组BBS评分、QOF评分、MBI评分高于训练前,且研究组高于对照组(P<0.05);两组患健侧摆动比值、健患侧支撑比值及步长偏差均低于训练前,且研究组低于对照组(P<0.05)。研究组COGX高于对照组,从站到坐时间及从坐到站时间短于对照组(P<0.05)。结论对称负重式坐站转移训练可改善脑卒中后偏瘫患者平衡能力、生活质量、生活自理能力、坐站转移稳定性及步态对称性,并可缩短坐站转移时间。

强化蹲-起训练对脑卒中偏瘫患者平衡能力及步态对称性的影响

目的:探索强化蹲-起训练对脑卒中偏瘫患者平衡能力及步态对称性的影响。方法:选取2020年4月至2022年5月收治的80例脑卒中偏瘫患者,按随机数字表法分为对照组和观察组,各40例。对照组中男性23例,女性17例;平均年龄(64.58±5.43)岁;左侧偏瘫25例,右侧偏瘫15例。观察组中男性22例,女性18例;平均年龄(64.55±5.41)岁。对对照组患者采取常规康复训练,观察组患者是在对照组的基础上进行强化蹲-起训练。比较两组患者干预前后的平衡能力、步态对称性以及日常生活活动能力。结果:干预后,两组Berg平衡量表评分均高于干预前,且观察组高于对照组高,差异均有统计学意义(均P<0.05);两组步长偏差、健患侧支撑比值、患健侧摆动比值均低于干预前,且观察组低于对照组低,差异均有统计学意义(均P<0.05);两组改良Barthel指数均高于干预前,且观察组高于对照组,差异均有统计学意义(均P<0.05)。结论:强化蹲-起训练可提高脑卒中偏瘫患者的平衡能力,改善患者的步态对称性,提高患者的日常生活活动能力。

基于手机加速度与步态不对称特征的身份识别

为解决现有步态识别准确率低的问题,通过研究人体走路左右步态不对称的特点,提出了基于左右步态特征提取的精确步态识别方法.与以往步态识别方法采用摄像头、地板传感器以及高采样率的传感器相比,通过智能手机中的加速度传感器采集数据.在低采样率状态,采集50名志愿者的正常行走加速度数据,使用小波变换方法提取加速度的特征点,对所有志愿者进行左右步态特征的相似性和差异性测试,证明了将左右步态区别提取的可行性.采用动态时间规整算法特征序列进行匹配.仿真结果表明基于左右步态特征的提取方法较好地提高了身份识别的准确率,平均错误率15.2%,为步态识别提供了一个新的思路.

基于Kinect的帕金森病步态不对称性识别方法

目的开发一种基于深度图像的非接触式帕金森病步态不对称性识别方法,以辅助医疗诊断和评估,解决穿戴型传感设备费用高、影响正常生活且检查流程复杂的问题。方法 2016年7月至8月,对帕金森病患者8例和健康人10例,采用Kinect V2.0采集行走6 m的运动数据;对左右脚参数滤波处理后分别聚类,使用相似度矩阵算法分别计算健康人和帕金森病患者相似度值;使用隐马尔科夫模型验证该方法的识别效果。结果所有患者左右脚参数聚类序列相似度小于健康人;从患者中提取的14条数据,成功识别12条(85.71%);从健康人中提取的46条数据,成功区别35条(76.09%)。结论基于左右脚位移过程中步态参数聚类结果不对称性的非接触式识别方法,对于帕金森病患者有一定识别效果。

人体步态对称性量化评价方法研究进展

步态对称性是人体步态的重要特征之一,客观量化步态对称性是步态分析研究领域广泛关注的热点问题。综述分析近30年相关研究相继提出的基于离散量化分析、连续量化分析和统计量化分析的步态对称性客观量化评价方法,可穿戴、网络化、智能化已成为当前量化评价步态对称性的主要技术特点。探寻新的步态对称性模型、新的步态对称性量化指标,先进的量化评价步态对称性技术手段是当前相关研究亟待解决的关键问题和未来的发展趋势。

强化蹲-起训练对恢复期脑卒中偏瘫病人坐站转移能力、步态对称性及平衡功能康复效果的影响

目的:探讨脑卒中偏瘫病人恢复期接受强化蹲-起训练的效果及对病人坐站转移能力、步态对称性及平衡功能的影响。方法:选取2020年5月—2021年8月收治的109例恢复期脑卒中偏瘫病人为研究对象,按照随机数字表法分为对照组54例、观察组55例,对照组接受核心稳定性训练及常规治疗,观察组在此基础上联合强化蹲-起训练,干预6周,比较两组病人静态平衡能力、步态对称性参数和坐站转移能力。结果:观察组病人6周末坐站转移能力起立-行走计时测试(TUGT)和5次坐立测试(FTSST)时间短于对照组(P<0.05),静态平衡能力总长度短于对照组(P<0.05),Berg平衡量表(BBS)评分高于对照组(P<0.05),步态对称性参数三维步态患侧摆动比值、健患侧支撑比值和步长偏差均小于对照组(P<0.05)。结论:脑卒中偏瘫康复训练中接受强化蹲-起训练可有效改善病人步态对称性、静态平衡能力及坐站转移能力。

基于步态加速度的步态分析研究

介绍了基于加速度传感器的便携式步态数据采集模块的设计方案。重点分析了步态加速度信号的特征,以及利用步态加速度的无偏自相关特性提取步态参数方法,并通过分析、对比人单步(左、右脚步)与步态周期间的相关系数,实现了步态对称性的评估。

脑卒中患者步行时足底压力中心不对称性及其与步速的相关性

目的:探讨脑卒中偏瘫患者步行时足底压力中心(COP)时空参数的不对称性及其与步速的相关性。方法:选取能够独立步行的脑卒中偏瘫患者(偏瘫组)及健康中老年人(正常组)各30例,每组受试者均以自然步速进行步态测试,提取并计算步速、单支撑时间、双支撑时间、单支撑期COP在前后方向的位移(AP-COPDS)及速度(AP-COPVS)、双支撑期COP在前后方向的位移(AP-COPDD)及速度(AP-COPVD),计算COP时空参数的对称性比,组内进行两侧下肢COP时空参数比较,组间进行COP时空参数对称性比比较,并分析偏瘫组各步态参数对称性比与步速的相关程度。结果:与健侧相比,患侧单支撑时间、AP-COPDS、AP-COPVS减小,AP-COPDD增加,差异均有显著性意义(P<0.05)。与正常组相比,偏瘫组单支撑时间、AP-COPDS、AP-COPVS三者的对称性比均减小,AP-COPDD对称性比增大,差异均有显著性意义(P<0.05)。偏瘫组步速与单支撑时间对称性比呈高度正相关(r=0.76,P<0.05),与APCOPDS、AP-COPVS两者的对称性比呈中度正相关(r=0.682,r=0.442,P<0.05),与AP-COPVD对称性比存在负相关趋势(r=-0.363,P=0.053)。结论:脑卒中偏瘫患者步行时COP时空参数呈不对称性模式,且其不对称性与步速存在相关性。

北欧腘绳肌离心力量训练对足球专项股后肌群损伤人群下肢对称性的影响

目的:检验北欧腘绳肌离心力量训练(nordic hamstring exercise,NHE)对于提高股后肌群力量、柔韧性及其双侧对称性的有效性;进一步探究NHE对疾跑过程中髋关节和膝关节关节角度对称性的影响。方法:招募足球专项男性运动员13名,其中7名有股后肌群损伤史(损伤组),6名无下肢损伤史(健康组)。所有受试者入组后照常进行训练,此外损伤组还需按照训练计划完成为期4周的NHE。在干预前后1周内,分别采集2组受试者的双侧股后肌群力量、柔韧性参数以及35 m疾跑过程中的运动学数据。其中柔韧性参数通过被动直腿抬高实验测得的髋关节最大屈曲角度来表征,并进一步计算双侧股后肌群力量不对称指数和双侧柔韧性不对称指数,以及在疾跑过程中着地时刻、地面反作用力(ground reaction force,GRF)最大时刻及离地时刻的髋、膝关节角度不对称指数。结果:4周的NHE显著提高了损伤组股后肌群力量(P=0.009)和柔韧性(P=0.022)。同时,训练还能改善损伤组股后肌群柔韧性的不对称指数(P=0.010)。此外,训练显著降低了疾跑过程中着地时刻(P=0.049)和GRF最大时刻(P=0.010)髋角的不对称指数。结论:4周的NHE能够在一定程度上增强股后肌群力量,提高柔韧性。训练虽然没有改善股后肌群力量的不对称性,但是提高了下肢柔韧性的对称性和疾跑过程中髋关节角度的对称性。

踝足矫形器对脑卒中偏瘫患者步行时足底压力及步行能力的影响

目的:探讨踝足矫形器(AFO)对脑卒中偏瘫患者步行时单支撑期足底压力峰值及步行功能的影响。方法:选取脑卒中偏瘫患者38例作为研究对象,分别在其裸足与穿戴踝足矫形器时,采用步态与平衡功能评测系统进行步态测试,观察并计算步速、双下肢摆动相时间、单支撑期双下肢足底压力峰值,以及偏瘫步态不对称指数等参数,分析单支撑期足底压力峰值与步速及偏瘫步态不对称指数的相关性。结果:穿戴AFO前后比较,患者步行速度分别为(0.47±0.05)m/s及(0.63±0.04)m/s,偏瘫步态不对称指数为(0.19±0.07)及(0.15±0.02),偏瘫侧单支撑期足底压力峰值为(1.03±0.04)及(1.07±0.02),差异均有显著性意义(P<0.05)。即穿戴AFO后,患者步行速度提高,偏瘫步态不对称指数减少,偏瘫侧单支撑期足底压力峰值较前增大。穿戴AFO后,偏瘫侧单支撑期足底压力峰值与步速呈正相关(r=0.417,P<0.01),与偏瘫步态不对称指数呈负相关(r=-0.748,P<0.01)。结论:脑卒中偏瘫患者佩戴AFO步行时,足底压力相关参数发生改变,偏瘫侧单支撑期足底压力峰值增大,且其与步速和偏瘫步态不对称性间存在相关性。

足底压力中心不对称性适宜计算方式的探讨

探讨脑卒中患者步行时不同足底压力中心(COP)时空参数对称性比的适宜计算方式。选取33例脑卒中患者进行步态测试,使用3种方法计算COP时空参数的对称性比,并分析对称性比与步速的相关性。计算方式影响对称性比与步速的相关性,为了更加客观地反映步速与不对称性的相关性,对于单、双支撑期COP时空参数,可分别选用患侧除以健侧相应参数、两者中的较小值除以较大值计算对称性比,必要时根据散点图选择适宜计算方式或进行亚组分析。

一种智能膝关节假肢模型的阻尼参数优化方法

目的为了提高智能膝关节假肢的穿戴调试效率及行走的步态对称性,提出了一种利用假肢模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化的方法。方法首先利用多杆刚体系统对智能膝关节假肢构建由膝关节、连杆及阻尼器组成的假肢模型。选择5例测试对象,其中男性3例,女性2例;年龄29~55岁,平均年龄44.20岁(标准差10.45岁);身高1.52~1.78 m,平均身高1.650 m(标准差0.098 m);体质量55~75 kg,平均体质量63.60 kg(标准差8.59 kg);大腿长0.37~0.44 m,平均大腿长0.404 m(标准差0.027 m);小腿长0.43~0.51 m,平均小腿长0.470 m(标准差0.029 m);步幅0.56~0.66 m,平均步幅0.610 m(标准差0.038 m)。将不同步速(0.8 m/s、1.2 m/s、1.6 m/s)的健肢侧膝关节角度及足底反力信息导入该模型,结合S.S.Rao Mechanical Vibration的二阶振动理论,以假肢模型与健肢之间的膝关节角度最小均方根误差为优化目标,对阻尼参数(ωd,ζ)进行优化求解。结果通过对5例测试对象的步态测试,假肢模型在支撑相的膝关节角度与真实人体膝关节的角度偏差为3.8°±0.4°,相关性为0.86±0.06;摆动相则为1.7°±0.2°,相关性为0.990±0.005。支撑相的阻尼频率范围在5~20,阻尼比范围在0.001~0.990;摆动相的阻尼频率范围在3.7~8.6,阻尼比范围在0.0001~0.1100。结论仿真结果表明,利用该模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化具备一定的可行性,可以提高膝关节假肢的穿戴调试效率,理论上也可以提高穿戴膝关节假肢行走时的步态对称性。

脑卒中偏瘫患者步态的不对称性与平衡功能的相关性研究

目的研究脑卒中偏瘫患者步态时空参数的不对称性与平衡功能之间的相关性。方法选取可以独立步行10m以上的单侧偏瘫的脑卒中患者30例设为病例组，相匹配的健康中老年人30例设为对照组，采用步态与平衡功能训练评估系统（AL-600型）对受试对象进行步态测试，经分析评估软件提取各步态时空参数（站立期时间、摆动期时间、步长及步宽），其步态时空参数的不对称性评估用双侧下肢步长不对称比（SLA）、摆动期时间不对称比（SWTA）和站立期时间不对称比（STA）表示。并对30例脑卒中患者进行Berg平衡量表（BBS）评分。用两独立样本t检验分析病例组与对照组的各时空参数不对称比（SLA、SWTA、STA）及步宽的差异，用Pearson相关性分析法分析SLA、SWTA和STA分别与步宽及BBS评分之间的相关程度。结果病例组患者步行时，患侧的步长及摆动期时间均较健侧增加（P〈0．05），患侧站立期时间较健侧缩短（P〈0．05）；而对照组下肢步态分析，各时空参数左右侧之间差异无统计学意义（P〉0．05）。病例组患者的步宽及各时空参数不对称比（SLA、SWTA和STA）的比值均较对照组增大（P〈0．01）。病例组患者的步宽[（15．90±2．60）em]与BBS评分[（41．57±7．27）分]之间呈中度负相关（r=-0．564，P〈0．01），而患者的SLA与步宽呈轻度正相关（r=0．432，P〈0．05），与BBS评分呈高度负相关（r=-0．849，P〈0．01）；患者SWTA与步宽呈高度正相关（r=0．726，P〈0．01），与BBS评分呈中度负相关（r=-0．630，P〈0．01）；患者STA与步宽和BBS评分之间均未见明显相关性（r=0．352，r=-0．126，P〉0．05）。结论脑卒中偏瘫患者步态时空参数存在不对称性，其步态的不对称程度与平衡功能之间存在一定的相关性。

前交叉韧带重建患者步态对称性变化及其与步速相关性研究

目的:探究前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)重建术后患者步行时的步态对称性变化及与步速的相关性.方法:选取单侧ACL重建术后患者(观察组)以及步态正常的健康人群(对照组)各40例,每组受试者分别进行步态测试,计算和收集受试者的步速、单支撑相时间、双支撑相时间、COP-Y及步态对称性参数.结果:观察组步速较对照组降低,差异有统计学意义;观察组患侧单支撑相、COP-Y与健侧相比降低,差异有统计学意义;观察组双支撑相时长与对照组相比延长,差异有统计学意义;观察组与对照组相比,观察组单支撑相时间、COP-Y对称指数,与对照组相比差异有统计学意义.观察组步速与单支撑相时间对称性指数成高度负相关(r=-0.87,P<0.01),与COP-Y对称性指数成高度负相关(r=-0.74,P<0.01).结论:前交叉韧带重建患者步态呈不对称性变化,步速、患侧单支撑相时间降低,双支撑相时长和COP-Y增加,患侧单支撑相时间对称性指数和COP-Y对称性指数与步速存在负相关性.

柔性仿生爬壁机器人控制系统研究

通过对壁虎运动机理以及柔性脚掌结构的理论分析和实验研究,文中提出一种新型柔性仿壁虎爬壁机器人的控制方法,该控制系统采用以MCU为核心控制器的分布式系统,依据精确的步态规划实现了机器人的稳定爬行,在实验环境下通过实物样机验证了该方法的可行性和有效性。