[發明專利]一種針對小體型動物的步態分析系統

無效

• 申請號: 200910242837.6
• 申請日: 2009-12-17
• 公開（公告）號: CN101716078A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發明（設計）人: 蒲放;樊瑜波;李德玉;張萌;楊陽;李曉光;孫聯文;李淑宇;牛海軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強;吳云華

技術領域

本發明涉及運動功能及康復測試領域，更具體地說是涉及一種能夠精確測 量和分析小體型動物(如鼠、貓、雞等)步態特征的系統。

背景技術

步態是指人、動物或機器在運動過程中，肢體/組件在時間和空間上的協調 關系，它是運動學和行為學分析的一個重要參數。步態分析是利用生物力學的 概念、方法、手段和已知的解剖學、生理學知識，借助現代計算機技術和圖形 圖像技術，對行走的功能狀態進行分析的研究方法。

人體的步態分析應用范圍較廣泛，如病人的神經損傷或運動系統損傷后， 可以通過多種手段進行修復或代償，但愈后效果如何，往往需通過病人的步態 分析來評價。通常，新的修復或代償技術在用于臨床前，必須先經過動物，特 別是大鼠的實驗進行測試或驗證，對于治療關節炎等疾病的特效藥也需先通過 大鼠實驗。因此，大鼠的步態分析有很重要的實用意義，不僅可以評價大鼠的 行為能力、運動功能和認知能力，對于研究神經官能癥、腦癱、糖尿病等疾病 的機理、預防、治療也有重要意義，因此針對大鼠的步態分析系統已經是開展 相關科學研究的重要設備。

目前，已有研究者(Frank?Hamers)根據光的全內發射原理設計出了一種 測量大鼠步態的裝置“CatWalk”，但這種裝置需要使用高速同步攝像機來捕 捉被測對象的足跡，其測量精度與相機的配置有關，而且標定時需要大量已知 力的數據提供對照，需耗費大量時間。

另外一些用三維應變片制成的大鼠步態測量裝置，除了同樣用到高速同步 攝像機外，主要集中于動物的單足接觸反力的測試上，而不能測試整個身體的 重心偏移。此外，目前針對大鼠的步態分析裝置，往往忽略了大鼠的活動特性， 沒有預設軌道，不能使其按照人的意圖行走，從而加大了測量的難度。

發明內容

大鼠的步態分析裝置廣泛應用于神經官能癥、腦癱、糖尿病、關節炎等疾 病的機理、預防、治療等方面，可以滿足針對運動神經系統損傷、疾病的新診 療手段和新藥物的測試，針對上述目前大鼠步態分析裝置存在測量參數不全面、 測量裝置復雜、測量方法繁瑣等缺點，本發明提供了一種測量小體型動物尤其 是大鼠的步態特征的系統，能夠實現對小體型動物(如鼠、貓、雞等)的多個 步態參數做出定量評價，包括步長、步頻、步序、肢間距離、壓力、重心偏移 等，能通過預設的軌道對大鼠的爬行行為進行誘導和控制，并測量大鼠在斜坡 或單純后肢著地狀態下的步態參數，在保證精度的同時降低了成本，減小了設 備空間。

定位及壓力測量裝置用于實時采集大鼠的足跡并測量四肢的接觸壓力。采 用基于互電容的多點觸摸屏作為整個裝置踏板與大鼠四肢的接觸面，將其無縫 隙緊貼固定在一層透明玻璃板上。多點觸摸屏包括互電容電路和電容傳感電路， 觸摸屏中兩層被模壓的正交線路交叉構成了一個個電容耦合節點，節點處會產 生互電容。當外界與觸摸屏節點有接觸存在時互電容會減小，據此就可以判斷 接觸存在，電容傳感電路通過檢測行列交叉處節點的互電容(也就是耦合電容 Cm)的變化來實現對接觸點位置的識別。多點觸摸屏的信號輸出端接后續調理 電路，進行處理分析。

當大鼠的四肢接觸觸摸屏的節點時，節點處的耦合電容發生變化，耦合電 容的變化使得互電容電路中傳感線攜帶的電流發生變化。電容傳感電路記錄了 出現電流變化的節點的位置以及電流變化。根據檢測到的電流變化大小，通過 標定可以轉化成接觸壓力的大小。

定位及壓力測量裝置后續的信號處理部分，包括濾波器、放大器、A/D轉 換器等。濾波器用于消除互電容電路中的寄生電容。數字信號處理器可以濾除 原始數據的噪聲事件，同時計算觸摸屏上每次接觸的邊界，進而確定每次接觸 點的坐標，并將其傳送到控制器。運算放大電路實現信號的放大，使其達到被 識別和處理的幅度。A/D轉換器用于將模擬信號轉換成數字信號，并將轉換結 果暫存于片外存儲單元，然后通過串行通信接口傳送到計算機進行處理與顯示。

三維測力裝置用于實時測量大鼠四肢與步態分析系統的踏板接觸時宏觀的 垂直支撐力和水平面橫縱兩個方向的作用力以及作用在踏板面上的三維等效力 矩等參數，以用于進一步分析得到重心偏移參數。在多點觸摸屏下層附一層厚 度為2～4mm的透明玻璃板，構成整個步態系統的踏板，透明玻璃板的四個角下 端分別放置一個三維力傳感器，傳感器安裝在測力裝置的底座上，保持踏板的 水平。當上層踏板受力后，四個傳感器分別把測得的力轉化成電信號，并傳到 下一層信號處理單元。