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%。

带仿生躯干的被动行走机器人步态特性

为改善被动行走机器人的步态特性,受人体躯干同时具有刚性骨骼和柔性软组织启发,提出一种带刚柔仿生躯干的被动行走机器人模型,并研究其非线性动力学特性.将仿生躯干柔性部分等效为带质量的弹簧阻尼器,建立仿生躯干被动行走机器人的动力学模型.分别分析仿生躯干的等效弹性系数、等效阻尼系数、等效质量对被动行走机器人的行走步长和步行速度的影响规律,并与刚性躯干模型的结果进行对比.研究结果表明:相比于刚体躯干,仿生躯干使得被动行走具有更加丰富的步态行为;仿生躯干柔性不仅影响被动行走的行走步长及行走速度,还影响被动行走的稳定性;适当的躯干柔性可以在维持稳定周期步态的同时,提高被动行走机器人的行走步长及步行速度;与刚性躯干相比,带仿生躯干的被动行走步长能提高12%,行走速度能提高2%.

新型步态辅助医学诊疗系统

步态分析日益成为疾病监测、辅助诊疗的重要医学检测方法。然而,由于缺乏低成本、实用的临床步态分析系统,目前的临床步态分析十分依赖昂贵的精密仪器、苛刻的实验环境、复杂的操作流程,难以大规模部署,中小医院无力开展相关医疗服务。该文介绍一套不依赖穿戴设备,实用、精准、非接触式的新型步态辅助医学诊疗系统,有望在临床逐步应用及推广,改善对国外昂贵设备和繁琐技术的严重依赖,降低临床步态分析的应用门槛,造福更多患者。

不同运动姿态个体的步态参数性别对比实验研究

为研究步态参数影响个体滑倒风险的内在机理,对男女个体分别在行走、跑步2种运动姿态时的步态参数进行对比分析。利用三维测力跑台获取并分析不同速度、坡度工况下的个体步长、步宽和最大足底正压力数据。研究结果表明:消除身高影响后,跑步姿态的男性个体步长比同速度的女性个体步长小4 cm左右;行走姿态的男性个体最大足底正压力和重力的比值约为女性个体比值的1.1倍;跑步姿态时,随着个体步长的增大,男女个体的步频基本保持在2.6~2.8步/s;在跑步姿态时,个体会通过维持步频、增大步长(增大足底与地面作用力或跨步夹角)的方式来提高运动速度。研究结果可为后续个体滑倒风险研究提供参考。

三维步态分析方法在脊柱侧凸矫正与康复中的研究进展

脊柱侧凸是一种三维脊柱畸形,其可能导致一系列问题,如疼痛、活动受限、步态模式改变等,从而造成严重的家庭和社会负担。根据患者Cobb角度和是否存在加重风险等因素,目前具有循证医学证据的矫正方式为脊柱矫形器和手术治疗。三维步态评估技术通过客观量化的时空参数、运动学和动力学数据,能够为脊柱侧凸康复提供生物力学评估数据。本综述总结三维步态评估技术在脊柱侧凸矫形器与手术治疗中的应用,以期为脊柱侧凸矫形器和手术治疗提供生物力学数据支撑,为三维步态分析技术的应用提供研究基础。

冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性

针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。

耦合振子系统中振幅包络同相同步向反相同步的转变

耦合振子系统的振幅包络同步行为反映了耦合振子系统幅度与相位的相互作用.在吸引耦合神经元振子系统中引入排斥耦合作用,耦合系统的振幅包络会随着排斥耦合作用的增加从同相同步向反相同步转变.对于给定的吸引耦合神经元振子,随着引入的排斥耦合强度增加,耦合神经元振子的振幅包络之间的相位差会先从0耦合系统中的同步是由于振子之间的相互作用而使整个动力学系统趋于相同的集群动力学现象.随着研究的不断深入,增加至π,然后又由π开始减小.同时,振幅包络的幅值会随排斥耦合强度的增加先减小后增加,存在一个使振幅包络的幅度达到最小值的排斥耦合强度.吸引与排斥耦合竞争引起的振幅包络从同相同步向反相同步转变过程也可以在引入时间尺度的耦合Stuart-Landau振子中产生,具有普适性.该研究不仅可以丰富振幅包络的相关动力学研究,还有助于理解脑信息处理和传递过程.

帕金森病冻结步态患者跌倒风险评估及危险因素分析

目的分析帕金森病冻结步态患者跌倒风险的影响因素。方法选取2022年1月至2023年6月就诊的帕金森病冻结步态患者为研究对象,将临床调查前3个月出现跌倒史的72例患者纳入跌倒组,同期选择未出现跌倒史的144例患者纳入未跌倒组。收集216例患者临床资料,以统一帕金森病评价量表第三部分(UPDRS-Ⅲ)评估患者运动障碍,以匹兹堡睡眠质量量表(PSQI)评估睡眠障碍,以Epworth嗜睡量表(ESS)评估日间嗜睡情况,以简明智力状态量表(MMSE)评估认知功能,以日常生活能力评分表(ADL)评估日常生活能力,以综合医院抑郁焦虑量表(HADS)评估情绪状态,以冻结步态问卷(FOG-Q)评估冻结步态严重程度。采用单因素、logistic多因素回归分析帕金森病冻结步态患者跌倒的影响因素。结果72例帕金森病冻结步态跌倒患者中,15例出现骨折,有58.33%患者跌倒发生在居家护理中,41.67%患者跌倒发生在住院期间。logistic回归分析显示,主要照顾者、UPDRS-Ⅲ评分、FOG-Q评分、MMSE评分、规律步态训练是帕金森病冻结步态患者跌倒的影响因素。结论帕金森病冻结步态患者跌倒受主要照顾者、规律步态训练等因素影响。

慢性心力衰竭患者心电图QRS波时限与心室电-机械不同步的关系

目前许多研究表明,QRS波时限与心室机械不同步并非完全呈线性关系,然而心室同步电激活是心室正常收缩舒张的重要先决条件。慢性心力衰竭(简称心衰)患者常常存在心室收缩功能障碍。尽管心衰初期心脏会发生适应性改变,但一旦超过代偿范围,就会导致心脏重构,使心功能严重受损。心电-机械重构受心脏结构、细胞水平和分子水平等因素的多重影响,在心电图上可以表现为QRS波时限增宽。在心衰的治疗方面,除了传统起搏器以外,近些年新兴的传导系统起搏更符合生理传导的特点,能在显著缩短QRS波时限的同时显著改善心室的机械同步性。本文综述了慢性心衰患者发生电-机械不同步的可能机制及其与QRS波时限的关系,以及二者对心功能的影响。

基于可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练对帕金森病冻结步态患者步行能力的影响

目的:探讨基于可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练对帕金森病冻结步态患者步行能力的影响。方法:选取23例帕金森病冻结步态患者为试验组,同时选取20例性别、年龄等匹配的健康者为对照组。试验组给予利用可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练,20min/次,2次/日,训练1周。利用Vicon三维步态分析系统收集试验组训练前后和对照组时空参数、非优势侧及优势侧运动学参数、非优势侧及优势侧地面反作用力参数(包括前-后侧峰值、内-外侧峰值及纵向第一峰值)。结果:(1)训练后,试验组患者步速及双侧步长均明显增加,步频、双支撑期明显减小,与训练前相比,差异均有显著性意义(P<0.05);训练后,试验组患者优势侧步长、步频及双支撑期与对照组比较,差异均无显著性意义(P>0.05)。(2)训练后,试验组患者双侧髋关节着地角度、踝背屈及跖屈最大角度及下肢关节活动范围均明显增加,膝关节着地角度减小,踝关节第一峰值出现的阶段延迟,与训练前相比,差异均有显著性意义(P<0.05);训练后,试验组患者双侧(膝关节着地角度、踝背屈最大角度、踝关节第一峰值出现阶段、下肢关节活动范围)和优势侧(髋关节着地角度、踝跖屈最大角度)与对照组比较,差异均无显著性意义(P>0.05)。(3)干预后,试验组患者双侧地面反作用力前-后侧峰值及纵向第一峰值明显提高,地面反作用力内-外侧峰值明显下降,差异均有显著性意义(P<0.05)。与对照组相比,非优势侧后侧峰值、内侧峰值及优势侧各项参数均无显著性差异(P>0.05)。结论:基于可穿戴式步行引导仪的可视化步行训练可有效提高帕金森病冻结步态患者步行平衡稳定性及步伐连贯性。

以事传理,由文到法——《走一步,再走一步》教学视角探析

《走一步,再走一步》一文的写作特色在于“以事传理”,教学时可以结合这一写作特色采用由文到法的教学方式,不仅可以学得文章的写“事”方法,又能得到人生成长的“理”。本课的教学视角可以从以目标预设的具体性追求教学效益的实然性、以学习任务的关联性体现文本解读的独特性、以学习支架的支持性实现学习能力的进阶性三个角度切入,尝试将文本特点与课堂教学两者之间实现高度的有效融合。

爱丁堡观察性步态评估量表在脑性瘫痪儿童中的信度与效度检验

目的:研究爱丁堡观察性步态评估量表(Edinburgh visual gait score,EVGS)的信度,并与三维步态分析进行比较,评价其有效性;同时分析EVGS各项内部以及与脑性瘫痪(cerebral palsy,CP)儿童粗大运动功能分级系统(gross motor function classification system,GMFCS)的相关性,为EVGS在临床应用提供客观依据。方法:从2019年至2021年所有在同济大学附属养志康复医院三维步态分析实验室进行三维步态分析的727例痉挛型CP儿童中随机抽取20例CP,分别由4名不同经验背景的评估者采用EVGS对20例CP的步行视频进行评估,并在间隔1个月后再次评估同一视频。采用同类相关系数分析(intragroup correlation coefficient,ICC)检验4名评估者的间信度,以及同一评估者的重测信度;采用Spearman等级相关系数检验EVGS总分及各项与三维步态分析数据和GMFCS之间的相关性。结果:评估者间第一次评估ICC值为0.947(P<0.001),第二次评估ICC值为0.952(P<0.001),两次评定结果均显示不同评估者对同一组视频采用EVGS的一致性结果较好。各评估者前后两次重测结果显示ICC系数均≥0.75(P<0.0010),表明间隔1个月,同一评估者前后两次评估结果具有较高一致性。相关性分析结果发现,EVGS与三维步态分析结果为中等相关,在校学生评估的总分与校标相关性最大。EVGS与GMFCS等级具有相关性。EVGS各项内相关性分析结果表明,足、骨盆及躯干控制的评估分项对EVGS评估整体步态的结果具有影响。结论:EVGS量表的评估者间信度以及同一评估者重测信度均具有较高可信性,未有丰富的临床经验背景下的评估者使用EVGS同样可以达到较高信效度。相关性分析结果表明,EVGS评估结果的准确性仍存在不足,EVGS评估结果与CP儿童运动功能障碍水平具有相关性,在设备有限情况下,EVGS可以作为步态分析的替补工具,是目前较为可靠的观察性步态评估量表之一。

基于主动式阻尼的混合式步进电机转速振荡抑制控制

混合式步进电机因其特殊的机械结构导致自身阻尼极小,在实际运行过程中会发生振荡过大,甚至失步的问题。为提高混合式步进电机的控制品质,提出一种基于主动式阻尼的步进电机转速振荡抑制方法。首先,将电机模型转化至同步旋转dq坐标系,将电流i_d控制恒为额定电流,利用位置误差和速度误差调节电流i_q生成瞬时转矩,抑制电机运行时存在的振荡现象。其次,为实现电机闭环反馈控制,提出一种将同步频率提取滤波器(SFF)与三阶锁相环(PLL~3rd)相结合的无传感器控制方法。SFF可以滤除反电动势信号中的高次谐波,PLL~3rd能消除转速变化过程中的稳态误差。实验证明,该方法有效抑制了步进电机运行过程中的振荡现象,提升了电机的运行品质。

步态分析用于膝骨性关节炎诊断与功能评定的研究进展

膝骨性关节炎是中老年群体患病率非常高的一种疾病。该病生理功能表现与生物力学参数密切相关,包括运动学参数、动力学参数、肌电活动参数等直接体现了膝骨性关节炎的症状发展。这些参数的研究对于膝骨性关节炎诊断和关节功能评定有非常重要的临床意义。因此,笔者通过总结近年来国内外的研究文献,对步态分析技术的进展,以及步态分析应用在膝骨性关节炎生物力学参数评定进行探讨,着重从运动学特征参数、动力学特征参数和肌电活动特征参数等进行步态特征的研究,为膝骨性关节炎的临床诊断及疗效评估提供借鉴与参考。尽管步态分析研究在膝骨性关节炎的早期诊断、治疗评估中发挥了重要作用,但在中国的临床应用和研究仍处于初期阶段。此外,由于膝骨性关节炎致病机制和生理表征比较复杂,对于步态分析特征参数的选择、计算方法,以及技术本身的稳定性方面还需要持续深入研究和改进。

助行康复机器人自适应步态控制方法研究

为了提高助行康复机器人在不同坡度上的稳定性,合理的步态控制方法显得尤为重要。这里以助行康复机器人为研究对象,提出了一种将长短期记忆网络和动态运动基元结合的步行康复机器人自适应步态控制方法。将传感器采集信息与动态运动基元中步态控制项相结合,对参考步态进行调整。同时通过更改动态运动基元的时间项和空间项对步态进行二次调整以适应不同的坡度。通过试验对该控制方法的可用性进行验证。结果表明,该方法可以在(0~20)°斜坡进行自适应步态变换,具有一定的实用价值。

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

一种基于轮廓稀疏对抗的视频步态隐私保护算法

深度网络模型可以从视频步态序列中获取人体步态生物特征并识别人物身份,造成严重的隐私泄露安全威胁。现有方法一般通过对视频画面中的人体进行模糊、变形等处理来保护隐私,这些方法可以在一定程度上改变人体外观,但很难改变人物行走姿态,难以逃避深度网络模型的识别,且这种处理往往伴随着对视频质量的严重破坏,降低了视频的视觉可用性。针对该问题,文章提出一种基于轮廓稀疏对抗的视频步态隐私保护算法,通过对步态识别模型的对抗攻击来计算画面中人体轮廓周围的有效修改位置。与传统方法相比,在具有相同隐私保护能力的情况下,该算法减少了对画面的修改,在隐私安全性和视觉可用性上达到了较好的均衡。该算法在公开步态数据库CASIA-B和OUMVLP上对4种步态识别模型进行测试,通过与不同步态隐私保护方法对比,验证了该算法在步态隐私保护上的有效性和可用性。

一款基于可穿戴传感器的便携式步态检测系统的信效度研究

目的验证一款基于可穿戴传感器的便携式Right Gait&Posture?步态检测系统的信度和效度。方法江苏钟山老年康复医院于2023年8—11月招募36例健康受试者,由2名受过培训的评估者采用Right Gait&Posture?步态检测系统对每位受试者进行3次步态检测,评估者1完成第1次和第2次测试,评估者2完成第3次测试,所有测试均在同一天内完成。记录步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、足偏角、着地角度、着地内翻角度和蹬离角度等步态参数。采用组内相关系数(ICC)计算测试者间信度和重复测试的相对信度;采用测量标准误(SEM)和最小真正改变量(MDC)作为重复测试的绝对信度。以视频步态分析法作为对照,采用Bland-Altman法计算95%一致性界限,分析Right Gait&Posture?系统检测步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速4项步态参数的效度。结果(1)测试者间信度:2名评估者间步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、着地角度、着地内翻角度、蹬离角度和足偏角的ICC值为0.901~0.981。(2)重复测试信度:同一个评估者2次测试间的步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、着地角度、着地内翻角度、蹬离角度和足偏角ICC值为0.822~0.983。各项步态参数SEM和SEM%值分别为0.02~2.17和0.49%~13.83%,MDC和MDC%值分别为0.06~6.02和1.37%~38.34%。(3)效度分析:BlandAltman图显示步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速的绝对误差平均值和95%CI分别为0.003 s,(-0.059,0.064);0.756%,(-3.048,4.560);-0.756%,(-4.560,3.048);-0.001 m/s,(-0.155,0.152)。结论Right Gait&Posture?系统在时空参数和踝关节运动学参数方面具有较好信度;在步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速方面具有较高效度,值得临床推广应用。

基于多尺度特征融合的跨视角步态识别

在跨视角步态识别中,针对衣着遮挡情况下难以提取具有可辨别性和多样性的步态特征,导致识别准确率下降的问题,提出了一种基于多尺度特征融合网络的跨视角步态识别方法。该方法能够有效利用步态特征间的互补性,获得具有可辨别性和多样性的步态特征,从而解决因衣着遮挡造成可辨别性差以及单一性的问题,进而提升跨视角步态识别的准确性。为验证所提方法的有效性,在公共数据集CASIA-B上进行了验证,实验结果表明所提方法在处理具有遮挡条件下的跨视角步态识别问题的识别性能达到了73.4%,同时在正常和背包两种行走条件下的识别性能分别达到了95.5%和88.0%。此外,我们的方法在处理遮挡条件下的识别性能优于同类典型的步态识别方法。

下肢外骨骼机器人步行训练对痉挛型双瘫的脑性瘫痪患儿步行功能和步态的影响

目的:探索下肢外骨骼机器人步行训练对痉挛型双瘫患儿步行功能及步态的影响。方法:招募2022年8月至2023年1月间就诊于浙江大学医学院附属儿童医院康复科的痉挛型双瘫儿童21例作为治疗组,采用配对设计,年龄、性别、功能状态匹配的21例作为对照组。两组均给予8周,5次/周常规的运动康复训练(运动疗法、悬吊训练、等速肌力训练),治疗组在此基础上增加下肢外骨骼机器人步行训练。在治疗前、治疗8周后对两组患儿进行6min步行试验(6MWT)、粗大运动功能测试量表88项版本(GMFM-88)D区及E区测试,并采用IDEEA运动捕捉系统评估患儿步态,得到步速、步频、步幅、支撑相时间等步态参数。结果:治疗前两组患儿6min步行距离(6MWD)、GMFM-88 D区评分、E区评分、步速、步频、步幅、双侧支撑相占比均无显著差异(P>0.05),治疗后两组患儿6MWD、GMFM-88 D区评分、E区评分、步速、步频、步幅均增加,双侧支撑相占比降低。组间比较治疗后上述指标无显著性差异(P>0.05),组间比较两组患儿治疗前后6MWD差值(PP<0.01),GMFM-88 D区评分差值(P<0.01)、E区评分差值(P<0.01)、步速差值(P<0.05)、步幅差值(P<0.05)、双侧支撑相占比差值(P<0.01)均有显著性差异,治疗组改善优于对照组。结论:外骨骼机器人训练结合常规康复治疗能够有效改善痉挛型脑瘫患儿的步行功能和步态。