基于足底压力分布的下肢步态识别方法

良好的下肢步态感知性能有助于提升助力型外骨骼机器人的助力效果。本文以足底压力分布为研究对象,基于足底生物力学分析搭建一种可穿戴式足底压力分布采集装置,分别采集平地行走、平地慢跑和坡路行走3个步态的足底压力数据,并基于多元线性回归法构建的地面反作用力预测模型获取整体足压,提出了一种基于整体足压和卷积神经网络(CNN)分类算法进行下肢步态识别的方法,并与支持向量机(SVM)和反向传播(BP)神经网络进行了对比分析。试验结果表明:该方法对于3种步态的平均识别率达到98.3%,具有较高的准确性,验证了使用CNN分类算法对下肢不同步态识别的可行性与有效性。

[足母]外翻足底压力分析的研究进展

[足母]外翻是最常见的足部畸形之一,足底压力的变化与[足母]外翻的发展密切相关。测量[足母]外翻足底压力,分析影响[足母]外翻足底压力的影响因素,有利于为患者制定个性化的预防和治疗措施,达到精准治疗的目的。为进一步了解[足母]外翻足底压力变化,为临床预防和治疗[足母]外翻提供参考,本文从[足母]外翻的足底压力变化和步态特征、[足母]外翻足底压力的测量及[足母]外翻足底压力的影响因素3个方面对[足母]外翻足底压力分析的研究进展进行了综述。

平衡生物反馈训练对脑卒中足内翻患者足底压力和平衡功能的影响

目的探讨平衡生物反馈训练对脑卒中足内翻患者的足底压力和平衡功能的作用。方法选择60例脑卒中足内翻患者,其中男性35例,女性25例;年龄50~58岁,平均年龄54.79岁;病程79~92 d,平均病程87.76 d;偏瘫左侧33例,右侧27例;脑梗死31例,脑出血29例。随机选择30例作为对照组,另外30例为试验组。对照组和试验组都进行综合训练,试验组在此基础上进行平衡生物反馈训练。两组连续训练8周,每周5 d,每天2次,每次共60 min。选用美国Tekscan公司的Footscan三维动态足底压力步态分析系统。在治疗前和治疗后8周,对患者的足底压力和平衡运动学参数进行对比。结果在足底压力方面,治疗前,两组患者内外侧压力和接触面积差异无统计学意义(P>0.05);治疗后,两组患者内侧压力增大(P<0.05),外侧压力减小(P<0.05)[试验组治疗前后内侧压力(150.18±96.30)N vs(175.70±99.95)N,外侧压力(184.14±85.72)N vs(166.46±112.01)N;对照组治疗前后内侧压力(147.11±74.22)N vs(165.97±71.93)N,外侧压力(230.13±93.73)N vs(223.57±114.75)N]。两组患者内侧接触面积增大(P<0.05),外侧接触面积减小(P<0.05)[试验组治疗前后内侧接触面积(26.75±12.07)cm^(2)vs(34.97±9.17)cm^(2),外侧接触面积(45.79±21.57)cm^(2)vs(37.86±21.99)cm^(2);对照组治疗前后内侧接触面积(39.28±22.25)cm^(2)vs(42.44±14.76)cm^(2),外侧接触面积(45.74±22.66)cm^(2)vs(41.73±20.54)cm^(2)],且与对照组相比,试验组内外侧压力和接触面积变化更为显著(P<0.05)。在平衡运动学参数方面,治疗前两组患者运动学参数差异无统计学意义(P>0.05);治疗后两组患者的X、Y轴上的轨迹长度、均方差、最大动摇径、总轨迹、偏移长度和包络面积均显著降低(P<0.05),速度、单位面积轨迹长度均显著升高(P<0.05),试验组平衡运动学参数改善更为显著(P<0.05)。结论平衡生物反馈训练可显著提高脑卒中足内翻患者的足底压力和平衡功能。

足下垂刺激器联合牵伸训练对脑卒中后足下垂患者足底压力、步态特征变化的影响

目的探讨足下垂刺激器联合牵伸训练对脑卒中后足下垂患者足底压力、步态特征变化的影响。方法选择2021年11月至2022年6月中国康复研究中心北京博爱医院接收的105例脑卒中后足下垂患者,在组间主要基线特征可比的基础上,采用随机数字表法分为对照组(n=52)与观察组(n=53)。对照组实施牵伸训练干预,观察组实施足下垂刺激器联合牵伸训练干预。比较两组患者干预前后足底压力、步态特征、胫骨前肌与腓肠肌表面肌电信号变化、平衡功能,统计两组患者干预期间跌倒发生率。结果两组患者干预后脚趾区、第一、第二跖骨区、足后跟区足底压力均较干预前升高,且观察组高于对照组,两组第三至第五跖骨区、足底中部区较干预前降低,且观察组低于对照组,组间差异均有统计学意义(P<0.05)。两组患者干预后步速、步频、步幅均较干预前提高,且观察组高于对照组,两组步行周期参数较干预前降低,且观察组低于对照组,组间差异均有统计学意义(P<0.05)。两组患者的干预后胫骨前肌与腓肠肌表面肌电信号值均较干预前提高,且观察组高于对照组,组间差异均有统计学意义(P<0.05)。两组患者干预后Berg平衡量表评分均较干预前升高,且观察组高于对照组,组间差异均有统计学意义(P<0.05)。两组干预期间跌倒发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论脑卒中后足下垂患者应用足下垂刺激器联合牵伸训练,可改善足底压力和平衡功能,纠正步态特征,增强肌群活动能力,降低跌倒风险。

下肢肌肉疲劳对老年人足底压力中心轨迹的影响

目的探究老年人在下肢肌肉疲劳后,足底压力中心(COP)轨迹的变化,从而更好地研究老年人因行走疲劳导致的受伤机制。方法18名健康的老年人志愿者身穿课题组提供的同一款鞋子和紧身衣在跑步机上快速行走(4.10±0.62 km/h),经5 min适应期后开始采集足底压力分布数据(Novel Pedar-X system,Novel Inc.,Munich,Germany),而后每5 min采集1次,每次持续2 min,共采集13次。提取COP的轨迹,计算COP在内外侧和前后侧的最大值、最小值、标准差,以及移动速度。最后用Wilcoxon符号秩检验进行统计学分析。结果与行走任务刚开始时的不疲劳状态相比,老年人疲劳后,COP轨迹在外侧方向上向内靠近了28%(P=0.002),在内侧方向上向外靠近了7%(P=0.004);在后侧方向上向前移动了8%(P=0.005);在内外侧的变异性降低了12%(P<0.001),在前后侧的变异性降低了6%(P=0.002);在内外侧的移动速度降低了13%(P<0.001),在前后侧的移动速度降低了7%(P<0.001)。结论老年人下肢肌肉疲劳后,COP轨迹在内外侧方向上向中线靠近,在后侧方向上向前靠近,同时伴随COP轨迹移动速度的减小和轨迹变异性的降低。本研究对探究老年人因下肢肌肉疲劳而受伤的机制有所帮助,为老年人鞋子的设计提供了理论基础。

基于足底压力和卷积长短期记忆神经网络的前交叉韧带断裂智能辅助诊断

提出一种基于卷积长短期记忆神经网络的深度学习模型PressureConvLSTM,用来提取行走过程中足底压力的空间特征和时序特征,并进行步态分类。通过对前交叉韧带断裂患者的足底压力数据分析,实现智能辅助诊断。结合临床数据的实验结果表明,PressureConvLSTM模型对前交叉韧带断裂的辅助诊断,能够达到95%的预测准确度;与卷积神经网络等其他模型相比,准确度得到大幅度提升。

基于足底压力采集系统和压力中心的人体稳态判定方法

设计一种可穿戴的无线足底压力采集系统,并提出基于人体足底压力中心(CoP)的人体稳定状态判定方法.首先,使用该系统采集人体站立和行走时稳定和临界失稳状态下的足底压力数据;其次,通过足底压力信息获取人体稳定行走状态下CoP活动轨迹的区域和边界;最后,采集当前时刻的CoP,通过对当前时刻CoP与人体最大稳定CoP的轨迹区域及边界范围进行对比,实现对人体行走过程的稳定状态判定.结果表明,设计的可穿戴式无线足底压力采集系统具有可穿戴性,方便测量人体足底压力数据,实验验证了基于足底压力采集系统和压力中心的人体稳态判定方法有效.

单侧负重对足底压力和稳定性的影响研究

单手提重物在日常生活和工作中很常见,不对称负重不仅增大下肢载荷,而且使人-手提物重心偏离正中矢状面,可能导致足底水泡、应力性骨折和摔跤风险增大。用1 m的压力板测量了15名健康男性大学生分别手提7 kg和14 kg重的包行走时的垂直地面反作用力和足底压力中心,用1 m的测力台测量静止站立30 s时的地面反作用力,以此为依据分析单侧负重对人体稳定性、足部冲击和步态的影响。结果表明,在实验的两种负重时,足底压力绝对值增大,相对值不变,稳定性降低,步态改变。针对经常性单侧负重群体的功能鞋设计,需要增大鞋底缓冲性能以减小损伤,增加鞋类稳定性以减小摔跤风险。

不同年龄不同性别儿童足底压力分布特征对比研究

取XX小学100名7岁和10岁男女学生儿童为研究对象,通过Footscan平板系统对儿童进行站立和步行的足底压力数据采集,使用单因素方差分析对数据进行统计,深入了解儿童足底压力分布特征,对比其左右脚差异、年龄差异以及性别差异。结果表明:静态站立时儿童重心落在足后区,一般在右后区,且10岁较7岁儿童静态中重心控制更好;儿童动态足底压力中,前足所受冲量最大,足跟次之,中足最小;前足中跖骨区所受冲量较大;从最大压强来看,足跟区受力最大,跖骨区受力大小大致表现为M3>M2>M5>M1>M4;且年龄增大,足跟区和第三跖骨区受力增大,女生比男生表现更为明显;儿童步态不均衡,中足区和足跟区的左右差异大,主要表现为左脚中足区各特征值大于右脚,而在足跟区各值小于右脚,且女生表现更为明显。结论:7岁较10岁儿童足跟过渡更快,步频快,同年龄段女生较男生更接近于成人动态足底压力情况。

中长跑运动员穿不同鞋垫跑步时的足底压力探究

目的:选取参与训练与教学课程的27名中长跑运动员,通过在相同速度下穿着不同类型鞋垫跑步时的实验测试,揭示跑步时足底压力、压强生物力学参数指标特征,为中长跑运动员提供生物力学的理论依据。方法:采用实验法、文献资料法、专家访谈法、数理统计法,利用足底压力测试系统与处理软件进行数据整理分析。结果:中长跑运动员穿着不同类型测试鞋垫跑步时左脚和右脚足底平均压力、最大压强在8个分布区域情况不一,两两对比重复测量方差分析存在不同差异,表现为足跟区是跑步时落地缓冲阶段足部主要的受力区域。结论:①无鞋垫时,左、右脚的M2、M4、M5、M6区足底压力均大于其他3种鞋垫;而无鞋垫时足底除M3区外,其他区域内的足底压强均大于其他3种鞋垫。②M5(第2~4跖骨区)、M6(第1跖骨区)是跑步蹬地发力阶段主要受力区域。M1(足跟区)是跑步时落地缓冲阶段足部主要的受力区域。③无鞋垫时,左、右脚的M2、M5、M6区的足底压力值以及左、右脚的M2、M4、M5、M6区的最大压强值均与其他3种鞋垫存在显著性差异。④足底压力值和足底压强值显示A型鞋垫在减压、抗震方面的功能较好。

鞋底硬度对人体足底压力分布与冲击力的影响研究

为探究不同鞋底硬度跑鞋对跑步、跳跃过程中人体足底压力分布与下肢冲击力的影响,设定了ShoreC 35、ShoreC 48、ShoreC 583种不同鞋底硬度的跑鞋,选择16名男性大学生作为试验对象,对人体主动落地与慢跑、快跑过程中的足底压力分布情况与冲击力特征进行收集与分析,以期为人体运动损伤防护与跑鞋的合理设计提供借鉴。结果表明,较软鞋底能够有效降低冲击峰值、降低足底压强,有利于避免潜在的冲击伤害并增强足部舒适感;慢跑状态下,鞋底硬度因素对最大负载率、到达最大负载率的时间产生了显著影响。快跑状态下,鞋底硬度因素对到达冲击力峰值时间、到达最大负载率的时间有显著影响。

大学生足底压力分布差异影响因素分析

研究不同因素对青少年足底压力分布及步态的影响,为青少年不良步姿矫正、初步临床疾病诊断与预防等提供理论依据。采用第二代自主研制的步态分析系统,分析足弓形态、性别、体重、体脂率等影响因素,采集60名受试者足底压力、压强峰值,并进行统计对比与分析研究。结果表明,扁平足与高弓足在足跟、第1~5跖骨区域相比于正常足有明显差异;男女之间除第1跖骨外其它区域无明显差异;体重与体脂率对于前足、后足压力值分别呈现正相关与负相关,且体脂率超标者的足跟内侧压力小于正常组,足跟外侧大于正常组。研究表明,足弓形态、体重、体脂率是影响足底压力的主要因素,诊断和治疗不良足弓形态,控制体重及体脂率,是改善足底压力分布、不良步态的关键因素。

基于足底压力及BP神经网络的人员身份识别垫具系统设计

由于每个人走路方式不同,使得各人鞋底的磨损程度也不同,因此在很多案件中,法医都会通过“鞋印”来对嫌疑人进行侧写和识别。截至目前,多项研究已经证实,在人员识别方面,“鞋型”和“步态特征”确实是一类非常有用的工具。不过,单一特征识别设备存在明显缺点,如操作复杂以及抗干扰性难以达标等。为解决上述“短板”,文章提出了一种基于BP神经网络联合“鞋型”和“足底压力特征”的身份识别系统。通过比对3种不同的足底压力数据积累方法,研究发现,所提系统在无“噪声”的情况下能够达到最佳精确度(89%),而当“添加”10%的噪声像素时,其精确度亦能够达到74%。所得结果证实,该系统在人员识别方面的性能确实令人满意。

Lenke 1型和Lenke 5型青少年特发性脊柱侧弯的足底压力特征

目的分析Lenke 1型和Lenke 5型青少年特发性脊柱侧弯(AIS)患者足底压力特征。方法选择连云港市第一人民医院就诊的20例AIS患者作为侧弯组,其中男性6例,女性14例;年龄10~18岁,平均年龄13.60岁;体质量32.70~71.80 kg,平均体质量51.86 kg;身高141.00~174.00 cm,平均身高159.60 cm;身体质量指数(BMI)14.90~24.30 kg/m^(2),平均BMI 20.22 kg/m^(2);Lenke 1型7例,Lenke 5型13例;左侧弯14例,右侧弯6例。选择同时期的20健康人作为对照组,其中男性7例,女性13例;年龄10~18岁,平均年龄14.45岁;体质量45.00~66.80 kg,平均体质量53.94 kg;身高155.00~173.00 cm,平均身高162.30 cm;BMI 16.90~25.40 kg/m^(2),平均BMI 20.48 kg/m^(2)。分别测量AIS患者凹、凸侧和健康人足部峰值压力(PP)、平均压力(MP)、总压力(SMF)和各个分区的压力百分比;计算双足对称性指数(SI);计算Cobb角同足底压力整体指标的相关性。结果侧弯组Lenke 1型和Lenke 5型AIS凹侧足底PP值大于凸侧和对照组[(1.93±0.27)N vs(1.69±0.30)N vs(1.68±0.23)N。P<0.05];凹侧足底的第一、二、三跖骨及足后跟外侧区的压力小于对照组[(10.96±2.50)%vs(14.56±4.51)%、(17.18±4.74)%vs(13.01±2.94)%、(15.00±8.26)%vs(3.84±3.90)%。P<0.05];侧弯组SIPP、SIMP、SISMF均大于对照组(17.88±15.21 vs 9.41±7.55、21.69±7.97 vs 15.72±8.23、23.60±10.83 vs 14.09±8.36。P<0.05)。结论Lenke 1型和Lenke 5型AIS患者足底压力同健康人存在差异,行走时凹侧足底压力大于凸侧;AIS患者局部足底压力分布存在异常,应防止压力性溃疡的发生。AIS患者SIPP、SIMP、SISMF均大于健康人,AIS患者双侧足底压力对称性差异大于健康人。

运动贴扎联合体外冲击波治疗足底筋膜炎的疼痛、功能活动及足底压力评估

目的:结合足底压力评估,探究运动贴扎联合体外冲击波治疗足底筋膜炎的临床疗效。方法:本研究纳入67例来院就诊的单侧足底筋膜炎患者,随机分为对照组和试验组,两组患者均予以健康宣教及体外冲击波治疗(ESWT),试验组在此基础上联合运动贴扎(KT)治疗。采用疼痛视觉模拟评分、AOFAS踝与后足功能评分量表,评估患者疼痛程度及功能活动;采用鞋垫式足底压力测量系统测量患者足底各区压力峰力值。比较治疗前、治疗第3周、治疗第5周的临床疗效及患侧足底压力变化。结果:治疗前两组患者各项指标差异均无显著性意义(P>0.05)。与治疗前相比,治疗第3周、治疗第5周,两组患者的疼痛程度及功能活动的量表评分、足底压力均出现明显改善,差异有显著性意义(P<0.05)。治疗第3周,两组患者的疼痛程度及功能活动的量表评分的组间差异不显著(P>0.05),而足底压力分析存在显著性差异(P<0.05),运动贴扎联合治疗组足跟内侧的峰力值体重比显著大于对照组。治疗第5周,两组患者的疼痛程度及功能活动的量表评分、足底压力的组间差异均存在显著性意义(P<0.05),运动贴扎联合治疗组在疼痛改善情况、功能活动情况显著优于对照组,中足、后足负重也显著高于对照组。结论:相比单纯的体外冲击波治疗,辅以运动贴扎进行联合治疗能够更好地缓解疼痛、改善后足功能、纠正异常的足底负重、改善患者步态。

不同足姿受试者运动贴扎后步行及慢跑时的足底压力变化

背景:运动贴扎技术常用于各种运动损伤的处理,足踝部运动贴扎方式复杂多样,其中足底筋膜贴扎法所适用的人群更广泛,可用于不同足姿类型,但尚缺乏实际验证,所发挥的具体生物力学作用也不明晰。目的:观察不同足姿受试者使用足底筋膜贴扎法后,在步行和慢跑时足底压力特征的变化。方法:于滨州医学院烟台校区招募37名年轻健康受试者进行试验,按照足姿指数6项进行评分,分为旋后位组、中立位组、旋前位组。分别于运动贴扎前后,采集并计算静态足部形态学指标(包括舟骨下降高度、弓高指数、足纵弓的弓高适应性、足横弓的弓高适应性)与步行和慢跑时足部各分区的压力时间积分,分析足底筋膜贴扎法具体的生物力学作用机制。结果与结论:①一般资料:3组受试者的性别、身高、身体质量指数等一般资料无统计学差异(P>0.05);贴扎前,不同足姿组间足部形态学各指标及前足外侧、中足、后足区域差异均有显著性意义(P<0.01)。②静态足部形态学指标:贴扎后,舟骨下降高度、足纵弓弓高适应性、足横弓的弓高适应性3项指标的组间差异无显著性意义(P>0.05),而弓高指数的组间差异仍有显著性意义(P<0.05);旋后位组弓高指数略增大,但贴扎前后差异不显著(P>0.05);旋前位组舟骨下降高度与足纵弓弓高适应性显著减小、弓高指数增加,贴扎前后差异有显著性意义(P<0.05)。③步行时的足底压力指标:贴扎后,前足外侧、中足内侧区域的3组组间差异无显著性意义(P>0.05)。旋前位组贴扎后前足外侧负重增加(P<0.05),旋后位组贴扎后前足外侧、中足区域负重显著增大(P<0.05),而后足区域贴扎前后差异不显著(P>0.05)。④慢跑时的足底压力指标:贴扎后,前足外侧区域的组间差异无显著性意义(P>0.05);旋前位组贴扎后,前足内侧区域负重显著增大(P<0.05);旋后位组贴扎后,前足外侧、中足及后足区域负重均显著增大(P<0.05)。⑤结果表明:足底筋膜贴扎法适用于不同足姿受试者,不仅能矫正足部静态结构,还能在步行及慢跑的动态活动过程中,调节异常的足底压力分布,使得旋后足姿与旋前足姿的中足、前足、后足负重趋于正常足姿的负重水平。

可穿戴式足底压力监测系统的应用及进展

可穿戴式足底压力监测系统(WFPMS)是近年来热门的足底压力分析手段。本研究重点介绍了目前WFPMS的常见类型及在其医疗健康、人体生物力学、日常生活监测等领域的应用,并对其发展方向及局限性进行了讨论,提出了基于可穿戴式技术与人工智能相结合的应用展望。

足底压力监测智能鞋垫的研究与应用现状

足底压力监测智能鞋垫融合了电子技术和材料科学,通过先进的传感系统感知脚底压力的微小变化,从而实时监测用户的步态和足底压力分布。详细介绍了智能鞋垫的模块化设计,包括柔性压力传感器、无线通信技术和物联网的综合应用。分析了智能鞋垫材料的选择以及鞋垫与电子元件结合的方式,详细阐述了足底压力监测智能鞋垫在运动检测与分析、健康管理与预警以及生物识别等多个领域的研究进展。总结和评估了其在日常生活中使用的潜力和优势。最后,足底压力监测智能鞋垫的未来发展方向将集中在提高数据安全性和隐私保护、优化传感器性能、探索更先进的能源解决方案等方面。

行走对人体足底压力和表面肌电影响的研究

目的本研究的目的是分析青年人体自然行走前后足底压力与下肢肌肉表面肌电信号变化规律,以丰富当前中国正常人步态特征数据库,为临床诊断、康复治疗、运动训练的效果评价提供参考。方法分别测量28名健康青年男性以最适速度行走30 min前后足底压力和股二头肌、股直肌、胫前肌、腓肠肌外侧表面肌电信号。结果(1)30 min自然行走前后,峰值压强、冲量等各特征参数均存在着左、右侧的差异,不同参数的左右侧差异分别体现在足底不同区域,而在跖骨区M3、M4、M5处,各参数均表现出左侧大于右侧;受试者左足第二趾骨,足跟内外侧的峰值压力行走后均大于行走前,右足各区域差异无统计学意义。(2)行走前后左侧下肢肌肉表面肌电信号s EMG的积分肌电值i EMG均大于右侧;行走前后左侧胫骨前肌、腓肠肌的表面肌电信号s EMG的平均功率频率MPF大于右侧。30 min行走后,右足Toe2-5的峰值压强降低;左侧股直肌的表面肌电信号的MPF显著性下降。结论正常人自然行走中,足底压力和下肢表面肌电均具有左右侧的差异;30 min自然行走尚未导致足底压力出现明显疲劳状态的相应结果,可维持步态的稳定性;行走将首先导致左侧股直肌出现疲劳。

大学生内八足底压力规律及其危害分析

目的 以中国大学生为目标群体,检测不同足态人群足底压力分布,分析内八人群足底压力分布特点,为其矫形康复提供参考。方法 选取具有典型内八、正常、外八足态各10名受试者参与足底压力检测实验。使用Zebris足底压力分布测量平板,检测受试者在自然站立和1个步态周期内的最大力、压力和接触时间。采集步态参数包括步长、步宽、步速、步向角、步态中心线、力变化曲线,并进行危害分析。结果 自然站立状态下,内八、外八组压力中心摇摆区域面积分别为(939.0±252.4)、(1 120.2±101.6) mm~2,均远大于正常组[(240.7±130.6) mm~2],内八步态削弱了人体的维稳能力。三类步态人群的动、静态足底压力也呈现出不同的分布特征。静态站立时,内、外八足态人群压力中心向后足转移,后足承受约70%足底压力,高于正常组;动态行走时,内八组三足区压强峰值的绝对值高于其他组。结论 内八人群静态维稳能力差,三足区足底压力分布、足底分区压强相较正常步态均存在一定程度差异,导致内、外八人群在等强度运动状态下稳定性更差,肌肉易疲劳,甚至面临踝关节、膝关节损伤。