基于運動學(xué)的老年人步態(tài)關(guān)鍵特征研究.pdf

1、背景：步態(tài)是指人步行的特征，采用運動學(xué)的方法記錄分析步行過程中的運動軌跡和關(guān)節(jié)角度變化是步態(tài)分析的重要內(nèi)容。近幾年來隨著微機電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，基于便攜式、可穿戴的慣性傳感器的步態(tài)分析方法得到了一定的發(fā)展與應(yīng)用，這種步態(tài)分析方法不受測量環(huán)境的限制并且成本低廉。本研究主要使用基于三軸加速度計、陀螺儀和磁力計的慣性傳感器進(jìn)行健康老年人步行過程中的數(shù)據(jù)采集，通過相關(guān)理論和算法計算不同步速下老年人步態(tài)的運動學(xué)特征。擁有良好的行走能力在老年人日常生

2、活中的意義十分重大。對健康老年人的步態(tài)進(jìn)行研究，對于客觀評價老年人步行運動能力，指導(dǎo)老年人進(jìn)行科學(xué)步行健身活動有著重要的現(xiàn)實意義。
　　方法：本研究邀請的受試者來自大連理工大學(xué)離退休人員共計35人。其中女性18人(年齡64±3歲，身高159.7±5.2cm，體重60.4±5.6kg)，男性17人（年齡66±2歲、身高172.0±4.9cm，體重76.3±12.4kg）。選取與老年人日常生活息息相關(guān)的步速進(jìn)行實驗，設(shè)置了慢速（散步速

3、度）、中速（安全通過交通燈的步速）和快速（健步走步速）三種不同的步行速度。受試者在跑臺上按照這三種不同的速度分別行走6分鐘。將5個慣性傳感器分別放置在背部、人體重心、大腿、小腿和腳面上，采集三軸加速度計、陀螺儀和磁力計數(shù)據(jù)；同時利用Metalyzer心肺功能儀采集步行過程中的氧氣、二氧化碳和心率數(shù)據(jù)。通過四元數(shù)姿態(tài)解析算法計算髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處的三維角度變化。同時利用步態(tài)參數(shù)周期性變化的特征，使用基于峰值檢測技術(shù)的方法計算步頻，步

4、長等參數(shù)；另外基于經(jīng)典的能量消耗算法計算不同步速的能量消耗和代謝當(dāng)量。采用一般線性模型中的多因素方差分析研究不同步行速度和性別對下肢3個關(guān)節(jié)7個角度（髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋；髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展；髖關(guān)節(jié)曲/伸；膝關(guān)節(jié)曲/伸；踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋；踝關(guān)節(jié)曲/伸）的活動范圍、步頻、復(fù)步長、能量消耗、代謝當(dāng)量、心率的影響。
　　結(jié)果：統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，隨著步速的加快，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展的幅度顯著增加，并表現(xiàn)出顯著的男女差異。在步行時，女性的髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/

5、外旋和膝關(guān)節(jié)曲/伸的范圍顯著的大于男性。而男性的復(fù)步長顯著的高于女性，同樣速度下男性的步頻顯著的低于女性。這從一定程度上表明在步行速度增加時，女性主要采取增加步頻的方式，而男性主要采取增加步長的方式。隨著步速的增加，代謝當(dāng)量顯著提高、能量消耗顯著增加、心率顯著提高。而另一方面男性在步行時的能量消耗顯著的高于女性，這可能與男性的肌肉比例高相關(guān)。另外不同步速行走時女性的心率顯著的高于男性。
　　結(jié)論：在不同速度步行時，除了髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/