Анализ походки - Gait analysis

«Анализ походки» перенаправляется сюда. О книге Жаклин Перри и Джудит М. Бернфилд см. Анализ походки: нормальная и патологическая функция.
Лаборатория анализа походки с инфракрасными камерами и напольная установка силовые платформы

Анализ походки систематическое изучение передвижение животных, в частности, изучение движения человека с использованием глаза и мозга наблюдателей, дополненное приборы для измерения движений тела, механика тела, и активность мышц.[1] Анализ походки используется для оценки и лечения людей с условиями, влияющими на их способность ходить. Он также обычно используется в спортивная биомеханика чтобы помочь спортсменам бегать более эффективно и выявлять проблемы, связанные с осанкой или движением, у людей с травмами.

Исследование включает количественная оценка (введение и анализ измеримых параметров походки ), а также интерпретация, т. е. различные выводы о животном (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т. д.) на основе его походки.

История

Пионерами научного анализа походки были Аристотель в De Motu Animalium (По походке животных)[2] и намного позже, в 1680 г., Джованни Альфонсо Борелли также называемый Де Моту Анималиум (I и II). В 1890-х годах немецкий анатом Кристиан Вильгельм Брауне и Отто Фишер опубликовали серию статей по биомеханике походки человека в условиях нагрузки и без нагрузки.[3]

С развитием фотографии и кинематографии стало возможным снимать последовательности изображений, раскрывающие детали передвижения человека и животных, которые не были заметны при наблюдении за движением невооруженным глазом. Эдверд Мейбридж и Этьен-Жюль Маре были пионерами этих разработок в начале 1900-х годов. Например, серийная фотография впервые показала подробный образ лошади »галопом ", которое обычно искажалось на картинах, сделанных до этого открытия.

Хотя многие ранние исследования проводились с использованием пленочных фотоаппаратов, широкое распространение анализа походки у людей с такими патологическими состояниями, как церебральный паралич, болезнь Паркинсона, и нервно-мышечные расстройства, началась в 1970-х годах с появления систем видеокамер, которые могли производить подробные исследования отдельных пациентов в рамках реалистичных затрат и времени. Разработка режимов лечения, часто включающих ортопедическая хирургия, основанный на результатах анализа походки, значительно продвинулся в 1980-х годах. Многие ведущие ортопедические больницы по всему миру теперь имеют лаборатории ходьбы, которые обычно используются для разработки планов лечения и для последующего наблюдения.

Разработка современных компьютерных систем происходила независимо в конце 1970-х - начале 1980-х годов в нескольких исследовательских лабораториях на базе больниц, некоторые в результате сотрудничества с аэрокосмической промышленностью.[4] Коммерческое развитие вскоре последовало с появлением коммерческого телевидения, а затем и систем инфракрасных камер в середине 1980-х годов.

В 2018 году появилось новое предложение для кинетической суммарной меры, Кинетический индекс походки.

Процесс и оборудование

Сбор информации о положении маркеров в 2D через камеры слева и справа, эта комбинация информации дает трехмерное изображение положения маркеров.

Типичная лаборатория анализа походки имеет несколько камер (видео или инфракрасных), размещенных вокруг дорожки или беговой дорожки, которые связаны с компьютером. У пациента есть маркеры, расположенные в различных опорных точках тела (например, подвздошные ости таза, лодыжки лодыжки и мыщелки колена), или группы маркеров, нанесенные на половину сегментов тела. Пациент идет по мостику или беговой дорожке, и компьютер рассчитывает траекторию каждого маркера в трех измерениях. Модель применяется для расчета движения нижележащих костей. Это дает полную разбивку движения каждого сустава. Один из распространенных методов - использовать Больница Хелен Хейз набор маркеров,[5] в котором всего 15 маркеров прикреплены к нижней части тела. Аналитически анализируются 15 движений маркера, и он обеспечивает угловое движение каждого сустава.

Для расчета кинетики модели походки в большинстве лабораторий есть устанавливаемые на полу датчики нагрузки, также известные как силовые платформы, которые измеряют силы и моменты реакции земли, включая величину, направление и местоположение (называемое центром давления). Пространственное распределение сил можно измерить с помощью педобарография оборудование. Добавление этого к известной динамике каждого сегмента тела позволяет решать уравнения на основе Уравнения Ньютона – Эйлера движения, позволяя вычислять чистые силы и чистые моменты силы вокруг каждого сустава на каждом этапе цикла походки. Вычислительный метод для этого известен как обратная динамика.

Однако такое использование кинетики дает информацию не для отдельных мышц, а для групп мышц, таких как разгибатели или сгибатели конечности. Чтобы определить активность и вклад отдельных мышц в движение, необходимо исследовать электрическую активность мышц. Многие лаборатории также используют поверхностные электроды, прикрепленные к коже, для определения электрической активности или электромиограммы (ЭМГ) мышц. Таким образом, можно исследовать время активации мышц и, в некоторой степени, величину их активации, тем самым оценивая их вклад в походку. Отклонения от нормальных кинематических, кинетических или ЭМГ-моделей используются для диагностики конкретных патологий, прогнозирования результатов лечения или определения эффективности программ тренировок.

Факторы и параметры

Анализ походки модулируется или модифицируется многими факторами, и изменения в нормальной модели походки могут быть временными или постоянными. Факторы могут быть разных типов:

  • Внешние: например, местность, обувь, одежда, груз.
  • Внутренние: пол, вес, рост, возраст и т. Д.
  • Физические: такие как вес, рост, телосложение.
  • Психологические: тип личности, эмоции
  • Физиологические: антропометрические характеристики, т. Е. Размеры и пропорции тела.
  • Патологический: например, травмы, неврологические заболевания, опорно-двигательные аномалии, психические расстройства

При анализе походки учитываются следующие параметры:

  • Длина шага
  • Длина шага
  • Каденция
  • Скорость
  • Динамическая база
  • Линия развития
  • Угол стопы
  • Угол бедра
  • Приседания[6]

Методы

Анализ походки включает в себя измерение,[7] где вводятся и анализируются измеримые параметры, а также интерпретация, где делаются выводы о предмете (здоровье, возраст, размер, вес, скорость и т. д.). Анализ - это измерение следующего:

Временной / пространственный

Он состоит из расчета скорости, длины ритма, высоты звука и так далее. Эти измерения проводятся с помощью:

  • Секундомер и отметки на земле.
  • Ходьба по коврику.
  • Лазерные датчики дальности, сканирующие плоскость в нескольких сантиметрах над полом.[8][9]
  • Инерционные датчики и программное обеспечение для интерпретации трехмерных гироскопов и трехмерных акселерометрических данных.

Кинематика

  1. Хронофотография это самый простой метод записи движения. Стробоскопическое освещение с известной частотой использовался в прошлом для помощи в анализе походки на отдельных фотографических изображениях.[10][11]
  2. Кино фильм или видеозаписи с использованием материала с одной или нескольких камер могут использоваться для измерения углов и скоростей суставов. Этому методу способствовала разработка программного обеспечения для анализа, которое значительно упрощает процесс анализа и позволяет проводить анализ в трех измерениях, а не только в двух измерениях.
  3. Пассивные системы маркеров, использующие светоотражающие маркеры (обычно светоотражающие шарики), позволяют точно измерять движения с использованием нескольких камер (обычно от пяти до двенадцати камер) одновременно. В камерах используются мощные стробоскопы (обычно красные, ближние или инфракрасные) с соответствующими фильтрами для записи отражения от маркеров, размещенных на теле. Маркеры располагаются на ощутимых анатомических ориентирах. На основе угла и временной задержки между исходным и отраженным сигналами возможна триангуляция маркера в пространстве. Программное обеспечение используется для создания трехмерных траекторий из этих маркеров, которым впоследствии присваиваются идентификационные метки. Затем компьютерная модель используется для вычисления углов сочленения на основе относительных положений маркеров помеченных траекторий.[12] Они также используются для захвата движения в киноиндустрии.[13]
  4. Системы активных маркеров аналогичны системе пассивных маркеров, но используют «активные» маркеры. Эти маркеры активируются входящим инфракрасным сигналом и реагируют, посылая соответствующий собственный сигнал. Затем этот сигнал используется для триангуляции местоположения маркера. Преимущество этой системы перед пассивной состоит в том, что отдельные маркеры работают на заранее определенных частотах и, следовательно, имеют свою «идентичность». Это означает, что никакой постобработки местоположений маркеров не требуется, однако системы, как правило, менее прощают маркеры вне поля зрения, чем пассивные системы.[14]
  5. Инерционные (безкамерные) системы на основе МЭМС инерционные датчики, биомеханические модели и алгоритмы объединения датчиков. Эти системы полного или частичного тела могут использоваться в помещении и на открытом воздухе независимо от условий освещения.

Безмаркерный захват походки

  • Системы фиксации походки без маркеров используют одну или несколько цветных камер или 2,5-мерные датчики глубины (например, Kinect) для непосредственного расчета положений суставов тела из последовательности изображений. Безмаркерная система позволяет проводить неинвазивный анализ походки человека в естественной среде без прикрепления маркера. Устранение маркеров может расширить применимость методов измерения и анализа походки человека, значительно сократить время подготовки и обеспечить эффективную и точную оценку движения во всех видах приложений. В настоящее время основной безмаркерной системой является захват движения на основе видео с помощью монокулярной камеры или многокамерной студии.[15] В настоящее время все более популярным становится анализ походки на основе датчиков глубины для клинических приложений. Поскольку датчики глубины могут измерять информацию о глубине и обеспечивать изображение глубины 2.5D, они эффективно упростили задачу вычитания переднего и заднего плана и значительно снизили неоднозначность позы у человека с монокуляром. оценка позы.[16]

Измерение давления

Системы измерения давления - это дополнительный способ измерения походки, обеспечивающий понимание распределения давления, площади контакта, движения центра силы и симметрии между сторонами. Эти системы обычно предоставляют больше, чем просто информацию о давлении; дополнительная информация, доступная из этих систем, сила, временные и пространственные параметры. Доступны различные методы для оценки давления, такие как коврик для измерения давления или дорожка (более длинная, чтобы фиксировать больше ударов ногой), а также системы измерения давления в обуви (где датчики размещаются внутри обуви).[17][18] Многие системы измерения давления интегрируются с дополнительными типами систем анализа, такими как захват движения, ЭМГ или силовые пластины для проведения всестороннего анализа походки.

Кинетика

Это исследование сил, участвующих в производстве движений.

Динамическая электромиография

Проводится изучение закономерностей мышечной активности при походке.

Приложения

Анализ походки используется для анализа способности людей и животных ходить, поэтому эту технологию можно использовать для следующих приложений:

Медицинская диагностика

Патологическая походка может отражать компенсацию основных патологий или нести ответственность за возникновение симптомов сами по себе. Пациенты с церебральным параличом и инсультом обычно наблюдаются в лабораториях по изучению ходьбы. Изучение походки позволяет ставить диагнозы и стратегии вмешательства, а также позволяет в будущем развивать реабилитационная техника. Помимо клинических приложений, анализ походки используется в профессиональных спортивных тренировках для оптимизации и улучшения спортивных результатов.

Методы анализа походки позволяют оценить нарушения походки и последствия корректирующих ортопедических операций.[19] Варианты лечения церебрального паралича включают искусственный паралич спастических мышц с помощью Ботокс или удлинение, повторное прикрепление или отслоение определенных сухожилия. Также проводится коррекция искаженной костной анатомии (остеотомия ).[19]

Хиропрактика и остеопатия

Наблюдение за походкой также полезно для диагностики хиропрактик и остеопатический наличие профессии в качестве препятствия для походки может указывать на смещение таза или крестца. Поскольку крестец и подвздошная кость биомеханически движутся в противовес друг другу, спайки между ними через крестцово-остистый или же крестцово-бугристые связки (среди прочего) может указывать на поворот таза. Оба врача хиропрактики и остеопатическая медицина использовать походку, чтобы различить движение таза, и могут использовать различные методы для восстановления полного диапазона движений в областях, участвующих в амбулаторных движениях. Регулировка таза с помощью хиропрактики показала тенденцию к восстановлению походки[20][21] как и остеопатическая манипулятивная терапия (ОМТ).[22][23]

Сравнительная биомеханика

Изучая походку нечеловеческих животных, можно получить больше информации о механике передвижения, которая имеет различные значения для понимания биологии рассматриваемого вида, а также передвижения в более широком смысле.

Походка как биометрия

Распознавание походки - это тип поведенческой биометрической аутентификации, которая распознает и проверяет людей по их стилю ходьбы и темпу. [24][25] Достижения в распознавании походки привели к развитию методов судебно-медицинской экспертизы, поскольку походка каждого человека может определяться уникальными измерениями, такими как расположение лодыжки, колена и бедра.[26]

Наблюдение

В 2018 году появились сообщения о том, что Правительство Китая разработали инструменты наблюдения, основанные на анализе походки, позволяющие однозначно идентифицировать людей, даже если их лица скрыты.[27]

Популярные СМИ

Учебники

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Левин Д.Ф., Ричардс Дж., Уиттл М. (2012). Анализ походки Уиттла Анализ походки Уиттла Elsevier Health Sciences. ISBN  978-0702042652
  2. ^ Аристотель (2004). По походке животных. Kessinger Publishing. ISBN  978-1-4191-3867-6.
  3. ^ Фишер, Отто; Брауне, Вильгельм (1895). Der Gang des Menschen: Versuche am unbelasteten und belasteten Menschen, Band 1 (на немецком). Hirzel Verlag.
  4. ^ Сазерленд DH (2002). «Эволюция клинического анализа походки: часть II кинематики». Походка и поза. 16 (2): 159–179. CiteSeerX  10.1.1.626.9851. Дои:10.1016 / s0966-6362 (02) 00004-8. PMID  12297257.
  5. ^ Kadaba, M. P .; Рамакришнан, Х.К .; Вуттен, М. Э. (май 1990 г.). «Измерение кинематики нижних конечностей при ровной ходьбе». Журнал ортопедических исследований. 8 (3): 383–392. Дои:10.1002 / jor.1100080310. PMID  2324857. S2CID  17094196.
  6. ^ Швейцер, Эрик. "Что такое анализ походки?". IdealRun.
  7. ^ У. Таш, П. Мубарак, У. Танг, Л. Чжу, Р.М. Ловеринг, Дж. Рош, Р. Дж. Блох. (2008). Прибор, который одновременно измеряет пространственно-временные параметры походки и силы реакции земли у передвигающихся крыс, в Материалы 9-й двухгодичной конференции ASME по проектированию и анализу инженерных систем, ESDA ‘08. Хайфа, Израиль, стр. 45–49.
  8. ^ Piérard, S .; Azrour, S .; Phan-Ba, R .; Ван Дроогенбрук, М. (октябрь 2013 г.). «GAIMS: надежная ненавязчивая система измерения походки». Новости ERCIM. 95: 26–27.
  9. ^ «Проект ГАИМС».
  10. ^ Этьен-Жюль Маре
  11. ^ Эдверд Мейбридж
  12. ^ Дэвис РБ, Чунпуу С., Тыбурский Д., Гейдж Дж. Р. (1991). «Методика сбора и сокращения данных анализа походки». Наука человеческого движения. 10 (5): 575–587. Дои:10.1016 / 0167-9457 (91) 90046-з.
  13. ^ Робертсон Д. Г. Э. и др. (2004). Методы исследования в биомеханике. Шампейн Иллинойс: Пабы Human Kinetics ..
  14. ^ Бест, Рассел; Бегг, Резаул (2006). «Обзор анализа движений и особенностей походки». In Begg, Rezaul; Паланисвами, Маримуту (ред.). Вычислительный интеллект для наук о движении: нейронные сети и другие новые методы. Idea Group (опубликовано 30 марта 2006 г.). С. 11–18. ISBN  978-1-59140-836-9.
  15. ^ X. Чжан, М. Дин, Г. Фань (2016) Оценка ходьбы человека на основе видео с использованием совокупностей походки и позы, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2016
  16. ^ «Исследование - Мэн Дин».
  17. ^ «Анализ походки с измерением давления». Tekscan. 9 июня 2017 г.. Получено 29 сентября 2017.
  18. ^ Coda, A .; Carline, T .; Сантос, Д. (2014). «Воспроизводимость и воспроизводимость системы Tekscan HR-Walkway у здоровых детей». Фут (Edinb). 24 (2): 49–55. Дои:10.1016 / j.foot.2014.02.004. PMID  24703061.
  19. ^ а б Аминь, Иоанн; Эль-Гебейли, Мохамед; Эл.Миккави, ДалияМ. E .; Yousry, AhmedH; Эль-Собки, ТамерА (2018). «Одноэтапная многоуровневая хирургия у детей с детским церебральным параличом: корреляция с качеством жизни и функциональной подвижностью». Журнал костно-мышечной хирургии и исследований. 2 (4): 148. Дои:10.4103 / jmsr.jmsr_48_18.
  20. ^ Герцог, В. (1988). «Количественная оценка воздействия манипуляций на позвоночник на походку у пациентов с болью в пояснице». Журнал манипулятивной и физиологической терапии. 11 (3): 151–157. PMID  2969026.
  21. ^ РО, Робинсон; W, Герцог; Б.М., Нигг (1 августа 1987 г.). «Использование переменных силовой платформы для количественной оценки воздействия хиропрактических манипуляций на симметрию походки». Журнал манипулятивной и физиологической терапии. 10 (4): 172–6. ISSN  0161-4754. PMID  2958572.
  22. ^ MR, Уэллс; S, Giantinoto; Д, Д'Агейт; Р.Д., Ареман; EA, Fazzini; D, Даулинг; А. Босак (1 февраля 1999 г.). «Стандартное остеопатическое манипулятивное лечение резко улучшает показатели походки у пациентов с болезнью Паркинсона». Журнал Американской остеопатической ассоциации. 99 (2): 92–8. Дои:10.7556 / jaoa.1999.99.2.92. ISSN  0098-6151. PMID  10079641.
  23. ^ Висмара, Лука; Чимолин, Вероника; Галли, Мануэла; Гругни, Грациано; Ансильяо, Андреа; Каподаглио, Паоло (март 2016 г.). «Остеопатическое манипулятивное лечение улучшает характер походки и осанку у взрослых пациентов с синдромом Прадера – Вилли». Международный журнал остеопатической медицины. 19: 35–43. Дои:10.1016 / j.ijosm.2015.09.001.
  24. ^ Альзубайди, Абдулазиз; Калита, Джугал (2016). «Аутентификация пользователей смартфонов с помощью поведенческой биометрии». Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE. 18 (3): 1998–2026. arXiv:1911.04104. Дои:10.1109 / comst.2016.2537748. ISSN  1553-877X. S2CID  8443300.
  25. ^ «Достижения в области автоматического распознавания походки - публикация конференции IEEE» (PDF). Дои:10.1109 / AFGR.2004.1301521. S2CID  13304163. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  26. ^ Бучрика, Имед; Гоффредо, Микаэла; Картер, Джон; Никсон, Марк (июль 2011 г.). «Об использовании походки в судебной биометрии». Журнал судебной медицины. 56 (4): 882–889. Дои:10.1111 / j.1556-4029.2011.01793.x. ISSN  1556-4029. PMID  21554307. S2CID  14357171.
  27. ^ Канг, Дэйк (6 ноября 2018 г.). «Китайские технические средства распознавания походки идентифицируют людей по тому, как они ходят». Ассошиэйтед Пресс. Получено 15 июн 2020.

внешняя ссылка