[發明專利]一種基于運動學數據確定步態站立中期的方法

有效

• 申請號: 201710873685.4
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN107811639B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 明東;何川;徐瑞;蔣晟龍;張力新;倪廣健
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于運動學數據確定步態站立中期的方法，包括：提取人體在步行中骨盆和足上的6個部位的三維位置坐標；估計人體在步行中質心的三維位置坐標；計算人體在步行中質心的速度；確定步態站立中期。本發明的一種基于運動學數據確定步態站立中期的方法，利用合理的簡化方法，通過一個夾角來逼近站立中期時刻，嚴格的數學運算，較為準確的確定步態站立中期這一關鍵事件。本發明原理可靠，計算便捷，實施簡單，精度較高，從而為進一步的內外穩定性分析、步態特征提取以及生物力學計算等奠定基礎。本技術較傳統方法更符合定義并更加準確。

技術領域

本發明涉及一種確定步態站立中期的方法。特別是涉及一種基于運動學數據確定步態站立中期的方法。

背景技術

步態是人類步行的行為特征，正常步態具有明顯的周期性。通常使用七個主要事件即首次觸地、對側足趾離地、足跟抬起、對側首次觸地、足趾離地、雙足鄰近和脛骨垂直將步態周期劃分為承重反應期、站立中期、站立末期、擺動前期、擺動初期、擺動中期和擺動末期共七個階段。

人類步行常簡化為倒立擺模型，即假定人體質心(CoM)相對人體位置不變，其繞支撐側踝關節做單擺運動。其中擺長使用CoM至外踝尖的距離估計。

將站立中期定義為在前進方向即CoM瞬時速度vCoM方向上CoM經過外踝尖的時刻。該時刻對內外向干擾極為敏感，可導致跌倒或額外邁步，故將其作為關鍵事件。確定站立中期，有利于下一步進行內外穩定性分析、步態特征提取以及生物力學計算等。

傳統的站立中期使用CoM軌跡來進行估計，即CoM達到其最高點時認為達到站立中期，并以此區別跑步。但實際操作中發現其誤差較大，且不符合其原始定義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠較為準確的站立中期的基于運動學數據確定步態站立中期的方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于運動學數據確定步態站立中期的方法，包括如下步驟：

1)提取人體在步行中骨盆和足上的6個部位的三維位置坐標；

2)估計人體在步行中質心的三維位置坐標；

3)計算人體在步行中質心的速度；

4)確定步態站立中期。

步驟1)所述的6個部位是：右側髂前上棘、左側髂前上棘、右側髂后上棘、左側髂后上棘、右側外踝尖和左側外踝尖。

步驟2)所述的估計人體在步行中質心的三維位置坐標是由下式獲得：

其中，MidPSIS是左側髂后上棘LPSIS與右側髂后上棘RPSIS的中點，LPSIS是人體在步行中左側髂后上棘的三維位置坐標，RPSIS是人體在步行中右側髂后上棘的三維位置坐標，CoM是人體在步行中質心的三維位置坐標，LASIS是人體在步行中左側髂前上棘的三維位置坐標，RASIS是人體在步行中右側髂前上棘的三維位置坐標。

步驟3)所述的計算人體在步行中質心的速度是采用下式計算：

其中，vCoM(1)是第1幀質心的瞬時速度；vCoM(i)是第i幀質心的瞬時速度；vCoM(end)是最后一幀質心的瞬時速度；Δt為采樣間隔時間，即采樣頻率的倒數；CoM(1)是第1幀質心的三維位置坐標；CoM(2)是第2幀質心的三維位置坐標；CoM(i)是第i幀質心的三維位置坐標；CoM(end)是最后一幀質心的三維位置坐標。

步驟4)所述確定步態站立中期是采用下式：